基于ModBus协议的红外测温变送器设计

杨进宝

(湖南师范大学工学院，中国 长沙 410081)

温度是工业生产中很重要的一个热工参数，它直接影响到产品的质量和性能．红外温度测量是以红外传感器为核心，通过热辐射原理来测量温度的，是一种非接触式温度测量方式，特别适用于高温和危险场合的非接触测温；与接触式温度测量相比，不会干扰测量对象的温度场，响应速度快、精度高，测量范围广，近年来在工业、航空、军事、医疗等方面的应用越来越广泛[1-3]．

本文以MSP430F149为平台，采用热电堆红外测温传感器A2TPMI为测温元件，其内部集成了光学透镜、信号处理和环境温度补偿电路，结合ModBus通信协议，设计一款基于RS485总线，能实现远距离多点测温的在线式红外测温变送器．该红外测温变送器适用于电力温度检测、设备故障诊断、工业生产等需要多点分布式非接触式测温的应用领域．

1 红外测温工作原理

红外测温是辐射式测温的一种，利用物体的热辐射现象来测量物体温度．在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都会辐射红外线，描述黑体辐射光谱分布的普朗克公式和黑体全辐射度与温度关系的斯蒂芬-玻耳兹曼定律是辐射测温法的基本理论依据[4]，其关系式为

E=εσT4，

(1)

式中，E为物体的辐射功率；T为被测物体的绝对温度；ε为被测物体的发射率，不同物体的发射率不同，可通过查表或实验得到；σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数．

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号大器及信号处理、显示输出等部分组成．光学系统汇聚其视场内目标物体的红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器表面转变为相应的电信号，该信号再经放大、采样、换算得到被测目标的温度值．

2 红外测温变送器设计与实现

本红外测温变送器由A2TPMI热电堆红外探测器、低通滤波器、MSP430单片机和RS485接口等部分组成， 如图1 所示．被测目标的红外辐射能量经硅透镜聚焦到热电堆上，红外能量经光电转换器转变为相应的电信号，该电信号经内置电路放大和补偿后输出幅度满足A/D采样的电压信号，经低通滤波器滤波后送到单片机的A/D输入端，MSP430单片机内置A/D转换器对信号进行采样，经计算和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值，通过ModBus总线上传至上位机．

图1 红外测温变送器结构图

2.1 A2TPMI工作原理及其应用

A2TPMI 是美国PerkinElmer(珀金埃尔默)公司生产的一款内部集成了专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的多用途红外热电堆传感器，这种集成红外传感器模块将目标的热辐射转换成模拟电压．该传感器自带距离系数D∶S=8∶1，5度视角，5.5 mm的硅透镜光学系统，通过该透镜接收空气中的红外辐射，然后转换成相应的电压信号．为了放大高灵敏热电堆微伏到毫伏级的信号，内置了一个8 bit分辨率的可编程低噪声放大器，放大器的增益、偏置电压由工厂通过I2C接口进行了校准，经放大的输出电压信号能满足A/D转换器的幅值要求[2]．

A2TPMI的目标温度范围-20～+300 ℃，根据热电堆温度测量原理, 当目标温度低于环境温度时输出为负，高于环境温度时输出为正．为了使负电压信号能在单电源系统处理，所有的内部信号都连接到1.255 V内部电压参考(Vref) , 作为虚拟模拟地信号．为了热电堆放大电路偏置电压的调整, 放大器上带了一个能产生有8 bit 分辨率偏置电压的可编程调整部分．此外，A2TPMI内部还集成有温度传感器来探测环境温度, 这个信号用以匹配热电堆放大信号曲线的反向特性，为了温度补偿，放大的热电堆信号和温度参考信号相加于一个放大器．经过温度补偿放大后的目标温度信号经Vtobj脚输出, 环境温度参考信号或1.255 V参考电压经Vtamb脚输出．A2TPMI 的校准数据由I2C接口永久地保存于E2PROM 内．

由于该集成红外传感器模块将光学系统、热电堆、可编程放大器和环境温度补偿电路封装在一个TO-39封装的金属壳体内，不受PCB漏电流、污染、潮湿以及电磁干扰等环境因素影响，这样，就使设计者免除复杂的光学系统，低温漂放大器以及参数不易整定的环境温度补偿电路的设计、调校，用它来设计红外测温变送器产品，精度高、互换性好，参数标定易于实现．

2.2 微控制器选型及数据采集设计

本红外测温变送器封装在一个直径为20 mm的不锈钢壳体，对电路板尺寸、低功耗、电路成本、抗干扰性能都有严格要求，采用的微控制器应具有UART、12 bit以上A/D转换接口，低功耗等特性的SOC(片上系统)．经多方权衡，MSP430F149符合设计要求．

2.2.1 微控制器选型 MSP430F149是美国TI公司推出的一款16位超低功耗、高性价比的工业级混合信号单片机，具有丰富的内部硬件资源．该芯片内部集成8通道12位高精度A/D 转换器，可达到300 K以上的采样速率，使模拟信号的高精度采样得到了充分的保证[5]．该芯片内部设有2路的UART串行接口，可以很方便地获得2路RS485或者其他的串行接口，满足基于RS485的ModBus协议通信需求．它采用1.8～3.6 V的供电电压，其超低功耗(典型工作电流为250 μA)，使多点分布式温度采集系统的总线供电电流得以下降，同时，使变送器的温升得到严格控制．

图2 有源滤波电路图

2.2.2 数据采集设计 A2TPMI 放大器采用斩波放大器技术, 由于这种技术本身具有的特性, 输出信号Vtobj和Vtamb中包含了大约10 mV峰值、250 kHz 的交流信号．这些交流信号可用低通滤波电路或软件滤波抑制掉．如图2所示，采用LMV358 轨对轨(rail to rail )运算放大器与R、C构成有源低通滤波器，可有效滤除纹波，同时起到信号缓冲作用．

滤除纹波后的目标温度电压信号Vtobj和环境温度电压信号Vtamb分别送到MSP430F149的两个模拟采样通道进行采样．设计温度范围为-20～+300 ℃，12 bit的A/D可获得0.078 ℃的温度分辨率，可保证0.1 ℃的设计要求．为减小采样随机误差，每次温度测量采样10次数据经动态平滑滤波后供后续温度计算用．

2.3 变送器通信接口

变送器通信接口采用RS485总线实现远距离数据通信，MSP430F149内置有UART接口，只需外接RS485接口芯片即可．MAX1487采用+5 V电源供电，传输速率达到2.5 Mbps．它适用于半双工通信，通信传输线上最多可挂128个收发器，符合多点集控温度采集通信要求．

2.4 温度非线性校正及发射率整定

由(1)式可知，热电堆感应红外能量与目标温度呈4次幂函数关系，同时，由于不同物质的发射率ε取值范围很大，要获得准确的目标温度值须进行曲线拟合和发射率整定．

2.4.1 红外测温非线性校正 经查A2TPMI数据手册和实际测量，热电堆模块在不同温度段输出信号Vtobj、灵敏度与温度之间的关系如表1所示，传感器输出电压与目标温度之间是非线性的，不易由采样到的输出电压值计算出目标温度值．在本设计中，进行了大量实验，测试得到19组样本数据，通过对实验数据的分析，采用最小二乘法曲线拟合可获得理想的效果[6]．

设拟合函数多项式为

y=a6x6+a5x5+a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0.

(2)

利用最小二乘法求解拟合函数系数a6、a5、a4、a3、a2、a1和a0，即

(3)

通过求解如下正规方程组(4)，即可获得系数a6、a5、a4、a3、a2、a1和a0，

(4)

式中，S(a0,a1,…,a6)为误差函数；yk为目标温度．

由于解式(4)的运算量很大，可以借助MATLAB等数学工具[7-8]，通过编写相关函数来求解系数a6、a5、a4、a3、a2、a1和a0，并进行曲线拟合效果的仿真．用MATLAB作多项式拟合时，根据如上介绍的最小二乘法则，提供了polyfit函数来实现多项式的拟合，其调用格式为

ANS=polyfit(x,y,n)，

(5)

式中，x、y为原始样本点构成的向量；n为选定的多项式阶次；所得到的ANS为按降幂排列的多项式系数．

为保证拟合曲线的曲率连续性，需要采用3次及更高次多项式拟合，为确保拟合精度，选取6次多项式进行拟合，即多项式阶次n=6．用MATLAB的polyfit函数工具计算得到6次多项式的各项系数：

ANS= -2.800 85；51.446 27；-384.759 54；1 502.167 87；-3 249.921 34；3 801.578 41；

-1 784.555 58,

将6个系数代入多项式函数式(2)中，得

y=-2.800 85x6+51.446 27x5-384.759 54x4+1 502.167 87x3-3 249.921 34x2+3 801.578 41x-

1 784.555 58.

(6)

式(6)中，y代表被测目标温度值，单位：℃；x代表热电堆模块输出电压值，单位：V．图3为输出电压与目标温度曲线图，拟合曲线与19个标本数据有较好的匹配效果，符合计算精度要求．

表1 Vtobj、灵敏度与温度之间的关系数据表

图3 输出电压与目标温度曲线图

2.4.2 发射率整定 由于不同材料或相同材料的不同表面状况对红外线的发射率影响很大，发射率取值在0.01～1.0之间，对测温精度影响很大．在使用红外测温变送器测量物体表面温度时，应对目标物体的发射率进行整定，该参数由上位机软件设定，通过通信接口固化到变送器的E2PROM存储器，参与目标温度计算．在实际应用中，目标物体的发射率不易确定，可通过直接测温与红外测温误差值计算得出．

2.5 ModBus通信协议

2.5.1 ModBus通信协议简介 ModBus 协议是由Modicon 公司于1979年开发的在工业领域广泛使用的标准协议，支持一台主机和多达247台从机间的通信，支持RS232 、RS422 和RS485等通信接口．ModBus 协议分为ASCII 模式和RTU 模式，ASCII 模式的数据包要求有开始标记和结束标记，并要求传输的数据都是ASCII格式，RTU 模式以16进制数据格式进行传输，数据通信效率较高，不需要开始标记和结束标记，以消息传输时的3.5 个字符以上的时间间隔作为一个数据包的开始和结束．

一个典型的ModBus RTU 数据包格式包括同步字、地址、命令字、数据、CRC校验，对设备地址、命令字和数据采用CRC16 校验，由数据包的发送者计算出16 位CRC 校验码，放入数据包的后面，接收者重新计算接收到数据的CRC，并和收到的CRC 相比较，如果2个CRC 值不匹配，则表明数据传输有误，接收者返回错误消息要求重发．校验码采用生成多项式为X16+X15+X2+1的16位循环冗余纠错码[9-10]．

2.5.2 变送器通信协议 变送器以数值型信息传送为主，选用ModBus RTU模式．数据帧格式由11个bit位组成，1个起始位(0)，8个数据位(D0～D7)，1个奇偶校验位．一个完整的数据包由4字节数据头、1字节地址码、1字节控制码、1字节数据长度、n个字节的数据域(0≤n≤32)和2字节CRC校验码构成．详细信息如表2所示．

表2 ModBus RTU数据包格式

包头：F5F5F5F5H，4字节F5H标识数据包的开始，

地址码：0=广播地址，01～247=从设备地址，

控制码：0=正常回应，1=异常回应，2=由主站发出的命令帧，3=由从站发出的应答帧，4=读数据(读目标温度、环境温度、地址、波特率、发射率)，5=写数据(写地址、通信速率、辐射率)，

数据长度：标识数据域字节数，

数据域：0至32字节数据(目标温度、环境温度、地址、波特率、辐射率等信息)，

校验码：2字节CRC16 校验码.

3 测试结果与分析

测试条件：口径10 cm、精度±0.1 ℃、发射率0.98黑体炉，黑体炉与变送器正对距离50 cm，环境温度20 ℃．表3为测试条件下的测试温度及误差．

表3 参数测试结果

表3实测数据表明红外测温变送器测温绝对误差在±0.5 ℃以内，其误差主要由A/D转换分辨率(12 bit)不够高、曲线拟合误差、空气衰减等因素造成．在批量生产中，由于器件参数的离散性，误差可能会更大，保证±1 ℃的测温精度是可以实现的．

4 结论

采用A2TPMI热电堆模块设计了一款测温范围-20～+300 ℃，测温精度±0.5 ℃，符合ModBus通信协议的红外测温变送器．经过实际使用，研制开发的红外测温变送器具有性能可靠、测量精确度高等特点，适用于远距离分布式多点间接测温系统．可广泛应用于电力系统、工业生产等领域．

参考文献：

[1] 曾 强，舒芳誉，李清华．红外测温仪的工作原理及应用[J].电子质量，2007(1)：25-27.

[2] 罗 元，郝国法．基于SOC的高精度红外测温系统设计[J].微计算机信息，2008，24(8)：158-160.

[3] 李志强, 黄 顺, 张卫华．基于TPS434 的红外传感测温仪的设计[J].现代电子技术，2007(12)：6-7.

[4] 贾海瀛，关代宇，刘明成．一种精准的红外测温系统的研究[J]．天津师范大学学报：自然科学版，2009，29(3)：34-38．

[5] 范大勇，唐 建，王恒强．基于MSP430 的高精度电量测量装置的设计[J]．微计算机信息，2010，26(10)：60-62．

[6] 尚 宇，兰玉岐．低温传感器测量数据基于MATLAB 的处理与分析[J]．航天器环境工程，2010，27(2)：197-201．

[7] 欧阳明松, 徐连民．基于MATLAB 的试验数据拟合[J]．南昌工程学院学报，2010，29(4)：24-28．

[8] 余明高, 常绪华, 贾 海．基于最小二乘法的高抽巷CO浓度变化规律分析[J]．防灾减灾工程学报，2010，30(2)：190-195．

[9] 刘莫尘，曾益清．基于Modbus协议的三相电力智能配电系统设计[J]．现代电子技术，2008(11)：117-119．

[10] 郑贵林, 黄雄辉．基于ModBus协议的智能变送器研究[J]．仪表技术与传感器，2005(4)：50-53．