基于LabView的数字温度变换器检定模块的设计

郑能方 郑宾

【摘要】本文是针对YA8-98-5型数字温度变换器设计的检定系统。根据数字温度变换器的工作原理，本检定系统用0.01级的ZX92A电阻发生器模拟了8路PT100在不同温度下的阻值，用C8051F单片机自带的两路DAC模拟了热电偶在不同温度下的输出电压。为控制单片机的两路DAC输出电流值和32路继电器的选通，本文用C51语言设计编写了下位机程序，实现上位机与下位机的通讯;并设计了基于LabVIEW设计了数字温度变换器的检定操作界面以及接口程序，使YA8-98-5型数字温度变换器的检定数据传入上位机，易于操作和检定。

【关键词】温度变换器;LabVIEW;PT100

1.引言

数字温度变换器是用来将模拟信号转换成数字信号的装置。温度变换装置的主要功能是完成32路温度参数的采集和传输，将信号调理电路、微处理器、通讯模块和电源模块组合为一个整体。正如产品在使用前要经过检验和测试一样，在数字温度变换器使用之前也要对其进行检定。在对它的检定过程中要依据其原理对其进行32路的信号的输入。

本文寻求一种在实验室条件下，运用适当的模拟温度源激励来检定数字温度变换器。这就要用到电压或者电阻的变化来模拟温度源。在模拟温度源的激励下。数字温度变换器会将温度变换成数字信号，将这些信号和标准值进行比较，就可以检定出变换器的合格与否。通过检定就可以保证数字温度变换器在真正投入使用时的精度，以免在使用中得出不准确的数据和结论而对实验或工作产生不利的影响。

2.检定系统硬件设计

数字温度变换器的主要功能是完成32路温度参数的采集和传输，将信号调理电路、微处理器、通讯模块和电源模块组合为一个整体。根据它的功能和原理，需要引进32路的模拟激励信号做输入。变换器接收到模拟信号后会将其转换成数字信号，最后数字信号会通过接口传入计算机。本文的任务是实现8路的铂电阻信号模拟和24路的热电偶信号模拟然后通过RS422将数字信号传入计算机。据此，其检定系统原理图如图2.1所示。

图2.1 检测系统原理图

根据原理图设计的思路，需要寻找和比对合适的方法模拟铂电阻和热电偶，并且要选择适合的开关。

众所周知，铂电阻传感器是根据所受温度变化，自身的阻值会随之变化。模拟铂电阻就是主要根据它的这个特性来模拟的。由于要求是要模拟8路pt100铂电阻的阻值，且温度变化范围在-30～-50°。铂电阻模拟用LM124、OP07等集成放大电路模拟铂电阻测温非线性修正，并将铂电阻采用四线制测量方法接入电路变成线性单端输出电压信号的方法。其线性修正电路如下图2.2所示：

图2.2 四线制接入电路方法

其中运用了0.01级变阻箱来模拟铂电阻的变化，选择0.01级的5组变阻箱ZX92A电阻发生器。

热电偶也是常用的温度传感器之一，它主要是利用随着温度的变化，输出电压会发生改变的原理工作的。热电偶模拟用AD590M结合电阻的连接提供电压信号。关于AD590的许多性能指标不需要太多赘述，只需知道AD590M可以在单片机的控制下提供uA级的电流，经过标准电阻的连接，可以提供毫伏级电压信号。即用C8051F单片机内部有两个电流模式数/模转换器（IDAC）来实现。即IDAC输出电流，然后经过V/I电路就可以实现电压信号的传输。

根据待检定的数字温度变换器的特性，要将变阻箱与变换器的32路中的8路相连，但是要通过开关选通连接。要用到开关，就要选择一种适当的，尽量能保证实验精度的开关。由于继电器导通电阻都是几毫欧到十几毫欧，而且继电器开关的导通电阻比较稳定，不会像三极管那样有所波动不稳定。所以开关选择继电器选择JGC-6F开关。

由于要实现32路开关控制，选用C8051F单片机I/O口控制三八译码器74LS138来控制开关的选通。上位机PC与下位机C8051F之间选用RS232来连接。在RS232与C8051连接时需要MAS232这样的TTL电平转换芯片。本系统的RS422连接是在数字温度变换器与上位机PC之间连接的，因为数字温度变换器的内部本身集成RS422调理模块，所以它能够和计算机进行直接通信，不需要像上文的RS232那样在C8051F与计算机之间还要连接MAX232来调理。所以只要一一对应接到计算机相应口上就可以了。

综合上述，计算机控制C8051F输出电流，经V/I电路的转换可以给数字温度变换器提供电压信号;调节ZX92A向数字温度变换器提供模拟铂电阻阻值信号;多路模拟开关可控制32路模拟信号输入数字温度变换器;RS232实现单片机与计算机之间的通信;RS422实现数字温度变换器与计算机的通讯。检定系统的结构如图2.3所示：

图2.3 检定系统结构图

图3.1 软件流程图

3.软件设计

根据数据的选取和分析，本检定系统的软件设计步骤是：首先，上位机选择要导通的通道。某一通道道通后，操作人员调节变阻箱输入电阻值或控制下位机输出对应电流。检定结束后，操作人员可以按退出键让程序结束。其流程图如图3.1所示。

Lab VIEW是一种程序开发环境，是计算机虚拟仪器（virtual instrumentation）的典型代表。由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是Lab VIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

本文设计出数字温度变换器的检定界面如图3.2所示。

各按键及显示框的功能是：键控制各路的导通;键控制单路/多路检定;键控制检测结束;框显示数字温度变换器的返回值（整型）;显示连接的端口;调节显示波特率。

它的控制流程是：第一步，操作人员先将系统开启;第二步，选择多路/单路测试开关;第三步，设置波特率;第四步，选则要测试的通道;第五步，检定人员将返回值和数字温度变换器检定标准值比对表进行比较。第六步，检定结束后可以按退出键结束。

4.结论总结

本文设计了一个对数字温度变换器进行检定的检定系统，根据数字变换器的工作原理，热电偶的工作原理以及热电阻的工作原理，实现了用0.01级变阻箱模拟PT100铂电阻阻值输出;用C8051F的两路DAC做电流源输出电流，结合I/V电路输出电压信号，模拟热电偶传感器的输出电压，并且评定了各路所产生的误差。基于G语言和C语言，本文还编写了上位机和下位机的程序用以实现整个检测系统的软件功能。

参考文献

[1]李荣禄，于良.铂电阻温度传感器变换器[J].气象水文海洋仪器，1999，4（3）：27-30.

[2]翟玉文，艾学忠，杨潇等.热电阻热电偶测温电路[J].仪表技术，1996，6（4）36-44.

[3]金荣泰，许昌.热电偶冷端补偿电路的一种设计方法[J].仪表技术，2002，1（2）：43.

[4]龚瑞昆，张冰等.高温铂电阻测温系统的实现[J].仪器技术，2008，7（9）：7.

作者简介：

郑能方（1989—），男，湖南邵阳人，中北大学硕士研究生在读，研究方向：动态测试与智能仪器。

郑宾，中北大学教授。