基于Pt100的多功能无线测温方案

陈 雷，郑德忠，陈 爽

（1.东北石油大学 秦皇岛分校, 秦皇岛 066004；2.燕山大学 河北省测试计量技术及仪器重点实验室，秦皇岛 066004；3.河北科技师范学院 数学与信息科技学院，秦皇岛 066004）

0 引言

热电阻温度传感器（RTD）是目前能够获得的最精确温度的传感器件，在各种RTD中以Pt100在时间稳定度和温度线性变化方面的特性是最好的，另外该传感器还具有精度高、测温范围宽、使用方便等优点，在工业过程控制和测量系统中得到了广泛的应用[1]。

利用Pt100热电阻测温时，需要把温度变化引起的阻值变化转换为电压变化，再通过引线传递到仪表上进行放大、滤波等处理。工业用热电阻安装在生产现场，通常需要较长的引线与后续的处理电路连接，由于Pt100本身的阻值较小，因此其引线电阻对测量结果会有较大的影响。根据实际测量的要求，人们设计了三种热电阻的端子引线接入方式，即2线制、3线制和4线制。其中2线制用于引线较短或测量精度要求不高的场合；3线制的传统处理电路使用电桥，可以基本消除引线电阻的影响；4线制采用带恒流源的测温电路，测量精度最高。以上每种接线方式都对应不同的处理电路，互不兼容，本文给出的测温方案可适用于三种热电阻接线方法，同时实现数据的无线

传输和计算机集中监控。

1 系统总体设计方案

该测温系统硬件主要包括温度电压转换、信号采集、无线收发和计算机监控四部分，其总体结构如图1所示。

图1 测温系统结构图

2 硬件电路设计

2.1 热电阻测温电路工作原理

三种接线方式采用同一个处理电路，都采用电流源作为激励，将温度引起的电阻变化转换为电压变化，可根据实际情况选择任一种接线方式进行测温，而不需要改变电路结构，也不需要任何软件和硬件的额外设置。

该电路用到5个接线端，其中+I和-I分别为两个恒定电流源的输出端子，+V和-V分别为放大器的正反相输入端子，AGND为电路的模拟地。由于Pt100在流过激励电流时会消耗功率，产生自热效应，因此激励电流大小应适当，通常选择小于1mA的电流，这里取200 μA。三种接线方式如图2所示，热电阻Rt均接在测温装置远端，图中的I为200 μA的激励电流，Rt为Pt100，端子间的弧线均为短接导线，r1、r2、r3、r4均为引线电阻，由于各段引线等长，所以有r1=r2=r3=r4=r。

图2 热电阻接线原理图

2.1.1 二线制电路原理

如图2(a)所示，由电流源+I流出的电流I经引线r1、r2和Rt并流回AGND。根据电路可知，实际输入放大器两端的电压U=I(r1+Rt+r2)，由于热电阻Rt阻值较小，因此引线电阻无法忽略；此方法由于引线电压的存在会有较大误差，除非引线足够短，使r1和r2非常小，但这也只能尽量减小误差，不能从根本上消除引线电阻的影响，而且在很多场合，缩短引线长度是不现实的，因此二线制电路只适用于精度要求较低的场合。

2.1.2 三线制电路原理

图2(b)中的三线制使用了两个电流源，均为200 μA。由电流源+I流出的电流I经电阻为r1的引线流入Rt，r1和Rt中的电流均为I；由电流源-I流出的电流I经电阻为r2的引线在Rt的下端和+I流出的电流汇合，根据基尔霍夫电流定律，易知流过引线电阻r3的电流为2I。根据r1=r2=r3=r4=r，得如下等式：

以上两式相减，可得放大器正负输入端的电压为U= I×Rt，此即热电阻两端的电压表达式。

2.1.3 四线制电路原理

四线制只使用一个电流源，引线r3和r4直接接到仪表放大器的两个输入端，由于放大器输入阻抗很大，因此引线r3和r4上电流近似为0；由图2(c)可知，+I流出的电流I经r1流入Rt，再经r2流回AGND，放大器的输入电压U=I×Rt，此即热电阻两端电压。

可见三线制和四线制虽然接法不同，但实际输入放大器的电压表达式是一样的，因此数据处理方法也一样。因为I已知，只需测出电压U，即可计算出Pt100的当前阻值Rt，再根据Rt即可得到当前温度。

2.2 信号采集电路设计原理

采用了集成恒流源芯片LM334构成恒流电路[2,3]，其在Pt100上产生的电压经放大滤波后再进行A/D转换。模数转换电路采用ADI的12位A/D转换器ADS1286实现，同时使用具有极低温度系数的LM399构成的精密基准电压源为其提供5V的基准电压。

工业用Pt100适用于测量650℃以下温度，由分度表可知650℃ 时的阻值为329.51Ω，采用200μA的电流源，Pt100的电压上限为329.51Ω×200μA=65.9mV，放大75倍可得到近4.94V输出，从而充分利用模数转换器的分辨率。放大电路采用仪表放大器AD620实现，根据增益电阻计算公式R=49.4 kΩ/(G-1)，可计算增益G为75时的增益电阻值R。滤波电路采用了Sallen-Key结构的巴特沃兹响应二阶低通滤波器。

温度每变化1℃，Pt100阻值变化平均约0.354Ω，200μA的电流可产生0.071mV的电压变化，放大75倍后为5.325 mV；12位的A/D转换芯片ADS1286采用5V电压基准时，分辨率为5V/4096=1.22mV，理论上可以分辨出的最小温度按下式估算：1.22 mV /5.325 mV =0.23 ℃。

2.3 微控制器的选取

采用ARM Cortex-M3 内核的32位处理器STM32F100C4T6B，该处理器是一款专门针对微控制器应用开发的主流ARM处理器，具有16kB的Flash程序存储器，4kB的数据存储器，内核典型工作电压为3.3V，工作频率为24MHz，且集成了USART、I2C、SPI等标准通信接口，且价格便宜，可靠性高，完全满足本设计的要求。

2.4 无线传输方案

终端温度采集模块和上位计算机的通信采用无线传输方式，可以解决有线方案施工繁琐、设备后期维护成本高等难题[4]。这里采用一款高度集成超低功耗半双工微功率无线数据传输模块，片上集成嵌入高性能低功耗STM8L101处理器，采用最新一代高性能射频芯片SX1212，其中SX1212采用高效的循环交织纠检错编码，使抗干扰和灵敏度都大大提高。模块提供了多个频道的选择，可在线修改发射目标地址、串口速率，发射功率，射频速率等各种参数，本模块采用配套的5cm天线可实现近500米的传输距离。

MCU控制模块时，通过TXD和RXD两线进行数据交换；模块平时处于接收状态，一旦收到数据，就将已经接收到的数据通过UART接口输出，这时MCU通过串口中断方式接收数据；需要发送数据时，只需要把待发送数据通过UART接口送入模块，模块收到数据后就自动无线发送，发送完毕后自动切换到接收模式。为了方便与计算机的连接，在计算机监控端的无线模块中增加了USB转串口电路，以USB接口的形式连接到计算机。

3 软件设计

终端采集模块的软件程序包括模数转换程序、数字滤波程序和基于MODBUS协议的串口通信程序。计算机端采用力控组态软件开发监控程序，组态软件是一种工控系统集成化开发环境，可以大幅度提高开发效率。

3.1 从机通信程序的实现

MODBUS协议已经成为一种通用工业标准，不同厂商生产的设备可以按此协议连成工业网络。作为一种请求-应答协议，当在网络上进行通讯时，该协议能使每一台控制器识别按地址发来的消息，取出包含在信息中的数据或指令，并决定要产生何种行动；如果需要回应，控制器将按收到的指令生成反馈信息，并传送出去。MODBUS协议有ASCII和RTU两种模式，这里采用MODBUS RTU模式。主机使用功能代码为03的读保持寄存器功能，获取从机采集到的温度数据；利用功能码为06的写单个寄存器功能修改从机地址或通信波特率。该协议定义了控制器能识别和使用的信息结构。主机查询时发送的数据包格式为：

CRC-16校验码长度 1字节 1字节 2字节 1字节 2字节从机地址功能代码数据起始地址读取的寄存器数量

例如，主机发送16进制格式的数据包：01 03 00 00 00 01 84 0A，表示读取01号地址的从机中0000H单元开始的两个字节（1个寄存器）的内容，其中03为功能码，84 0A 为前6个字节的校验码。

从机响应查询，返回的数据包格式为：

CRC-16校验码长度 1字节 1字节 2字节 n字节 2字节从机地址功能代码返回字节数量返回的数据

如从机响应上述查询命令，返回的16进制数据包为：01 03 02 01 5A 39 EF，表示01号从机返回两个字节数据01 5A，前6个字节的校验码为39 EF。

RTU模式时，采用CRC方法校验传送的全部数据。必须注意的是，校验完成后，将CRC值附加到信息时，低字节在先，高字节在后。本系统中，终端采集模块作为从机，采用串口中断的方式接收数据，图3给出了从机在MODBUS RTU模式下响应主机查询的程序流程图。

图3 MODBUS协议程序流程图

3.2 数据处理方案

在0～+650℃范围内，国际标准中给出的Pt100阻值与温度的函数关系式为：

式中R0和Rt分别为0℃和t℃时Pt100的阻值，A和B为已知常数，根据厂家的型号确定。这里的 A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7。

根据以上公式得到求解关于当前温度t的表达式为：

其中Rt=Vo/Ie，Vo为t℃时热电阻两端的实际电压值，即为采集到的电压值的75分之一，Ie=0.2 mA。组态软件中按照式（4）计算温度即可。

3.3 计算机组态监控的设计与实现

在力控组态软件中开发监控程序主要是完成相关模块的组态设置和脚本程序的编写。另外，力控组态软件还提供了丰富的图形控件和数据库功能，可以很容易地完成温度数据的图表显示，并完成数据的记录、历史数据的查询及打印功能[5]。

3.3.1 配置I/O设备

在“工程项目”导航列表中双击“I/O设备驱动”，在展开项目中选择并展开“PLC”项，然后选择其下列表中的“MODICON（莫迪康）”中的“MODBUS(ASCII&RTU串口通讯)”并双击，弹出设备配置对话框，按照步骤配置即可，注意最后一项MODBUS设备定义中的“协议类型”项应选择“RTU”,“存储器类型”项选择“16位”。

3.3.2 建立数据库组态

在“工程项目”导航列表中双击“数据库组态”，建立与采集到的电压对应的模拟I/O数据库点，命名为temp.PV，并完成基本参数、报警参数、数据连接、历史参数的设置，其中数据连接中的“MODBUS组点对话框”中的内存区选择“HR保持寄存器（03号命令）”，数据格式选择“16位无符号数”。

3.3.3 脚本程序

在“工程项目”导航列表中双击“动作”下的“应用程序动作”，在“进入程序”栏中输入：

A=0.0039083; B=-5.7775/10000000; R0=100;

程序不断根据检测到的电压值，计算相应的温度，在“程序运行周期执行”栏中输入以下脚本代码，即可实现该功能。

Rt=temp.PV*1000/0.2/75；T=

-2*(R0-Rt)/(A*R0+Sqrt(A*A*R0*R0-4*R0*B*(R0-Rt)))；

4 结论

本文设计了兼容热电阻2、3、4线制的测温电路，并实现了基于MODBUS通信协议的无线数据传输，同时在计算机上利用力控组态软件成功实现了与远程终端采集模块的通信和数据处理。

实践表明，本文提出的热电阻多功能测温方案是可行有效的,可应用于各种线制的Pt100工业无线测温场合。

[1] Bonnie Baker著, 李喻奎译. 嵌入式系统中的模拟设计[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2006: 73-91.

[2] Information on http://www.ti.com/product/lm334.

[3] 李银祥, 胡军, 姚向东. 三端可调恒流源LM334及其应用[J]. 现代仪器, 2002, (1): 23-24.

[4] 题原, 宋飞, 刘树东, 等. 基于nRF905的无线温湿度检测与传输系统设计[J]. 化工自动化及仪表, 2010,38(4):404-407.

[5] http://www.sunwayland.com.cn/index.aspx