基于ARM的温度巡检保护装置的研制

王 伟，赵 涌

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003）

基于ARM的温度巡检保护装置的研制

王 伟，赵 涌

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003）

介绍一种基于 A R M的多通道温度采集装置，详细分析了其测量原理，给出了装置的软硬件设计。采用C S 5523芯片完成温度采集，简化了电路设计，同时增强了装置的抗干扰性。现场试验表明，研制的装置具有测量精度高、可靠性好和较强的抗干扰能力。

温度测量;热电阻;恒流源;A R M

0 引言

温度参数是目前工业生产中常用的生产过程参数之一，尤其是在电厂中部分温度参数还参与告警和停机保护。考虑到测量过程中可能遇到的各种恶劣环境，因此，系统要求有较高的准确性和可靠性。以前出现过恒流源激励失灵以及抗干扰能力差等问题，严重影响了测量的效果，给运行监视人员带来很大的压力。针对这些问题，本文设计了一种新的测温装置，通道之间完全隔离，巡回采集多达48路通道的热电阻，较高的准确性和可靠性以及故障自动检测功能，现场运行情况表明，该装置达到了预期的要求。

1 测量原理

温度测量的方法很多，但热电阻凭借其优良的特性成为目前工业上温度测量应用最广泛普遍的传感器元件之一。热电阻是一种电阻值随温度而变化的传感器，所以可以通过测量电阻值的方法来完成温度测量。

通常电阻的测量方法有电桥测量法和恒流源激励法。电桥测量法的输出电压与电阻值为非线性关系，尤其是用于多种类型的热电阻时数据处理比较复杂，因而很少用于温度测量系统中。而恒流源激励法由于输出电压与电阻值为近似的线性关系，因此，本系统采用恒流源激励法进行温度测量。采用该方法进行温度测量时要保证恒流源激励小于5mA，否则会造成热电阻的自热而影响测量的准确度。恒流源激励如果太小又容易受到现场干扰的影响，因此，本装置采用2.5mA的恒流源激励。

热电阻的接入方式一般有两线制、三线制和四线制。两线制测量由于引线电阻带来的附加误差会使实际测量值偏高，需要通过软件进行校准，一般适用于低精度测量且引线较短的场合；四线制测量精度最高，三线制测量比两线制测量精度更高，相比四线制测量成本更低，因此，工业上一般采用三线制测量。测量时要求三根引线截面积和长度均相同，这样引线电阻产生的影响才能相互抵消。本装置以三线制接入方式进行温度测量。

图1是采用恒流源激励法进行温度测量的检测电路。热电阻RTD采用三线制接入方式，从A、B、C三点接入，RL为三根引线电阻，一般在5Ω以内。恒流源激励I经过电阻RB、引线电阻RL、热电阻RTD、引线电阻RL、电阻RC到地组成一个激励回路，然后通过光MOS开关K1和K2切换进行两次测量,得到电压值U1和U2。开关K1导通时，测量电压U1＝I*（RTD+RL）；开关 K2导通时，测量电压 U2＝I*（RTD+2*RL），热电阻上的电压 U＝2*U1-U2=I*RTD。最后通过标准电阻通道的切换得到电阻值RTD，从而计算出实际测量的温度，同时消除了恒流源激励的影响。

图1 温度测量的检测电路图

2 硬件设计

温度测量系统通常是低速（每秒采样最多100个）的，因此窄带模数转换器比较适合；同时由于传感器信号非常微弱，因此需要高分辨率的模数转换器。窄带与高分辨率的要求，使得Σ-Δ型模数转换器成为这种应用的理想选择。

CS5523是美国Cirrus Logic公司生产的16位高精度Σ-Δ型A/D芯片。该芯片内含多路复用器、可编程增益放大器、斩波稳零放大器、4阶Δ-Σ调制器、数字滤波器以及片内系统校准和自校准电路。测量电压范围可以选择25mv、55mv、100mv、1v、2.5v 和 5v，且可以根据需要进行补偿；其数字滤波器提供最多8种可编程输出更新速率，当输出速率低于30Hz时，还可同时抑制50Hz和60Hz的系统干扰。因此，该芯片非常适用于信号较弱、动态范围大、干扰严重的温度测量系统。

装置采用PHILIP公司的ARM芯片LPC2214作为主控CPU。该CPU负责48路通道热电阻和标准通道的切换，与串行A/D的接口并进行相应运算，按键操作、液晶显示、通讯处理以及组态保护输出。

LPC2214是基于一个支持实时仿真和跟踪的 l6/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，它带有16KB片内静态RAM、256KB片内Flash存储器、多个32位定时器、8路lO位ADC以及多达9个外部中断，同时由于其极低的功耗、多达112个可使用的GPIO，内置宽范围的串行通信接口，使其特别适用于工业控制。

装置硬件原理图如图2所示。

图2 装置硬件原理图

装置可以使用不同的热电阻进行测量，每路温度输入可以互相独立支持Cu50、Cu53、Cu100、PT100等8种类型的热电阻；可以自动检测通道的断线和短路等一系列故障。系统主要由以下几部分组成：多路开关切换与A/D转换、CPU、RS-232/RS-485通讯电路、开出保护电路、人机接口电路、电源电路。

多路开关切换与A/D转换主要由光MOS开关和ADC组成。由于继电器开合寿命有限以及噪声大等缺点，故通道之间的隔离全部使用光MOS开关完成通道的切换和各个通道的隔离。ADC则完成测量数据的采集，并通过SPI接口实现与CPU的通信。为保证可靠性，SPI接口使用光耦进行隔离。RS-232/RS-485通讯电路则完成装置与上位机的通讯，为保证通信能在恶劣环境中正常工作，设计了光耦隔离回路以及抗雷击、抗浪涌等一系列保护措施。

系统的电源电路采用开关电源将交直流220V的电源转换为装置所需的＋5V、±15V和＋24V输出，然后通过LDO将＋5V转换为ARM芯片所需的＋3.3V和＋1.8V。人机接口电路主要完成按键输入、液晶输出以及LED显示。同时装置还设计了I2C接口的E2PROM用于热电阻参数和保护组态的掉电存储。

3 软件设计

软件设计主要包括以下模块：系统初始化、温度量采集及处理、键盘处理、液晶显示、通讯任务、E2PROM定时检查、保护组态开出等。该系统程序流程图如图3所示。

图3 系统程序流程图

温度量采集及处理流程图如图4所示。首先进行通道选择，开关1切换，延时10ms后启动A/D转换，得到电压值U1；开关2切换，延时10ms后启动A/D转换，得到电压值U2，热电阻电压U＝2*U1-U2，通过标准电阻通道的切换计算电阻值。由于热电阻的阻值随温度的变化为非线性的，所以在软件编程时进行了分度线性拟合，然后插值运算计算温度值。

图4 温度量采集及处理流程图

4 试验结果

通过对某电厂进行现场试验，将该电厂1号机组轴瓦温度量信号和定子温度量信号接入本装置中，在机组满负荷运行时观察温度测值并将其进行录波，录波图如图5所示。图中红色曲线为轴瓦温度曲线，蓝色为定子温度曲线。每格为0.2℃。

据现场运行人员反映该点轴瓦温度量信号周围干扰很大，在原来的测温装置中有时跳动超过5℃以上。但从试验波形可以看出，该点轴瓦温度量信号测量一直在0.3℃范围以内，稳定性高，有较强的抗干扰性和可靠性，完成了预定的要求。

5 结语

本测量装置基于ARM微处理器，可实时采集多达48路通道的热电阻信号，使用了性能较好的数据采集芯片CS5523和一系列抗干扰措施，实现了预期效果。现场试验表明研制的系统具有测量精度高、可靠性好和较强的抗干扰能力。

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TP216

B

1672-5387（2011）03-0024-03

2011-04-11

王伟（1982－），男，硕士，工程师，主要研究方向：水电厂监控系统。