支持多种温度传感器的多通道低温测量系统的设计

崔　奎，胡纯栋，谢远来，程　斌，马长城，杨思浩，邑　伟

(中国科学院 等离子体物理研究所，合肥　230031)



支持多种温度传感器的多通道低温测量系统的设计

崔奎，胡纯栋，谢远来，程斌，马长城，杨思浩，邑伟

(中国科学院 等离子体物理研究所，合肥230031)

摘要：中性束注入(neutral beam injector, NBI)系统的低温泵上必须设置一组温度测量点以监控其工作状态;为满足NBI温度测量需求，设计了一种支持多种温度传感器的多通道低温测量系统;系统采用24位Σ-Δ模数转换(analog-to-digital converter, ADC)芯片AD7193执行模数转换，采用控制器STM32F103ZET6控制设定恒流源、切换测量通道、ADC、以太网通信、串口通信、温度数据处理以及其他控制电路;该温度测量电路的设计可以用于由恒流源驱动的四线制低温温度测量领域。

关键词：低温测量电路；多通道；多种传感器；电流源；低温泵

0引言

NBI是EAST(experimental advanced superconducting tokamak)一种主要的等离子体加热手段[1]，为了监测NBI系统低温泵的工作状态，需要布置超过30个温度测量点，要求每个温度测量点的测量频率大于1 Hz，并且测量精度在0.1 K以内。由于低温泵中各个部件的工作温度范围不同，因此需要不同类型的温度传感器，例如PT100可以测量低至液氮温区的温度，但是在液氦温区则需要碳电阻等类型的负温度系数(negative temperature coefficient, NTC)温度传感器。

基于上述要求，本文设计了一种支持多种温度传感器的8通道低温温度测量系统。系统采用八路恒流源分别激励八路四线制温度传感器，其中每路恒流源的电流值可以根据传感器的类型预置为1 mA、100 μA或者10 μA。通常1 mA或者100 μA的电流用于激励阻值不高的电阻型温度传感器，但是在液氦温区一般使用10 μA激励NTC型电阻传感器或者二极管型温度传感器。为了抑制噪声对测量精度的影响，模数转换芯片AD7193内部的数字滤波器被预设为带宽低于50 Hz并且对测量值进行均值处理。滤波器设置后，ADC的采样频率以及数据输出速率将会下降，为保证每个通道的采样频率大于1 Hz，电路采用了两套通道选择以及模数转换模块，每套模块处理四路温度信号。同时在电路中设置了一个由蜂鸣器和LED组成的报警模块，当预设的紧急情况发生时将会报警提示。为了适应远距离信号传输，采用了基于ENC28J60的以太网通信电路。电路同时提供了通用的RS232串口通信。当测量通道温度超出了预设的温度范围，电路设置了两路继电器输出信号用于控制外部器件。

1系统的硬件设计

1.1电路系统的原理框图

图1是该温度测量系统的整体结构图。该电路系统包括八路独立的恒流源以及两套独立的通道选择、缓冲、可编程增益(Programmable Gain Amplifier, PGA)、低通滤波、模数转换电路以及数字控制电路等。在实际测量时，八路恒流源分别激励八路四线制温度传感器，温度传感器输出的模拟电压经过通道选择、缓冲器、可编程增益，低通滤波器和模数转换器转换成数字信号。

图1　温度测量系统结构原理图

电路采用STM32F103ZET6作为控制核心。STM32F103ZET6采用ARM CortexTM-M3内核，具有32位数据处理能力，系统时钟经过锁相环可以增至72 MHz。STM32F103ZET6片上具有丰富的外设，包括7组通用I/O口(GPIO)GPIOA~GPIOG、 5路异步串行通信口(USART1~USART5)、 3路串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)以及8个定时器等。这些丰富的外设给电路的设计带来了极大的方便[2]。

在电路中同时采用了以下电路模块，首先为了方便人机交互使用了一个独立键盘和一块分辨率为256×64的OLED；其次，使用了一个隔离的RS232通信接口和一个以太网通信接口用于和外部的机器通讯。隔离的RS232通信在方便近距离串行通信的同时也具有避免通信电缆上的浪涌电压对电路系统造成损坏。RS232通信的隔离是通过具有2.5 kV隔离、单通道收发器芯片ADM3251E实现的。ADM3251E非常适合于在电磁环境恶劣的环境下使用。以太网通信电路是基于10 Mbps带宽以太网芯片ENC28J60，满足应用的需求。再者，使用了基于IS62WV51216的1 M字节扩展RAM和基于W25Q64的8 M字节的Flash用于数据的处理和记录。一个蜂鸣器和多个LED被设计用于当预设的情况发生时产生报警信号提示用户。最后，当设定的测量通道温度超出预设范围后，两路继电器将会产生输出信号用于控制外部器件。

1.2温度测量电路原理和分析

由上文可知该低温测量电路系统包括八路独立的恒流源以及两套独立的通道选择、缓冲、可编程增益、低通滤波和模数转换电路。图2中所示为其中一路恒流源和一套通道选择、缓冲、可编程增益、低通滤波和模数转换电路。

图2　温度测量电路前端

图2中，芯片U1 (AD8221)、U2 (ADG1409) 和 U3 (OPA602)组成了一个恒流源电路。图中所示的2.5 V基准电压由基准电压芯片ADR421产生。2.5 V的基准电压经过仪表运放AD8221缓冲输出，使得该芯片的7脚和6脚之间的电压为2.5 V。由于OPA602的深度负反馈，使得AD8221的6脚电压等于OPA602的3脚电压。在电路中，模拟多路复用器U2 ADG1409是一个关键的元件，它的导通电阻最大只有4.7 Ω，ADG1409选择3路电阻中的一路导通。为保证恒流源输出电流的精度，3路电阻R1(2.5 kΩ)、R2(25 kΩ) 和R3(250 kΩ)必须使用千分之一精度的金属膜电阻。设Ron为选择通道导通电阻，则该通道的输出电流为：

(1)

在忽略误差的情况下，由上式可得，恒流源输出的3种电流值分别为1 mA、100 μA和10 μA。

四线制温度传感器被恒流源激励后输出的模拟电压采用差分方式输出。在电路中，瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor, TVS)D2 (PTVS5V0P1UP)用于抑制引线上的浪涌电压，D2的泄漏电流仅1 nA。STM32F103ZET6控制模拟多路复用器ADG5409选择四路差分信号中的一路导通并输出至缓冲电路。缓冲电路由高精度自稳零双运算放大器AD8639构成，用于消除信号通路上的导线电阻以及模拟开关导通电阻对后级模数转换电路的影响。

PGA、低通滤波器和ADC集成在一块芯片AD7193上。AD7193是一个具有完全模拟前端的低噪声24位Σ-Δ模数转换芯片。模数转换的参考电压取自恒流源电路中基准电压产生芯片ADR421输出的2.5 V基准电压。AD7193内部的PGA在保持低噪声、高性能的同时，增益可以编程至1、 8、16、32、64或128。因此，幅值非常小的信号同样可以输入至AD7193。AD7193内部同时提供了一个非常灵活的数字滤波器，滤波器可以编程工作在sinc3或sinc4滤波器状态，同时，通过合适的设置，滤波器可以对50 Hz或者60 Hz工频干扰进行非常强的抑制。

在本电路设计中，AD7193被设置在单极性差分工作模式，设PGA的增益为G，参考电压为Vref，输入信号为Vi，则任意模拟输入电压的输出码d可以表示为：

(2)

其中：

N=24, Vref=2.5 V。

基于以上的设置，输入信号Vi的范围为：

(3)

进一步，如果传感器为电阻型温度传感器，则最大的被测电阻值为：

(4)

输入信号的幅值Vi可以通过公式(2)求出，进一步，如果温度和传感器输出信号的关系已知，则可以求出相应的温度值。

1.3电路精度分析

测量电路的精度主要取决于两个部分：恒流源电路输出电流的精度以及对传感器输出信号的处理电路的精度。图2中恒流源电路部分，由于AD8221和OPA602的失调以及模拟多路复用器ADG1409的导通电阻的影响，输出恒流源的精度很难进一步提高，在本设计中，恒流源的输出精度大约在0.1%。传感器输出信号处理电路部分，采用差分结构以及超高精度运算放大器AD8639构成的低噪声缓冲电路，AD8639是一个自稳零双运算放大器，其典型失调仅3 μV,、温漂0.01 μV/ ℃以及1.2 μVp-p(0.1 Hz to 10 Hz)的噪声，电路具有很高的精度，信号的总体误差在2~3 μV。电路的带宽被AD7193的数字滤波器设置在50 Hz以内。因此为了进一步提高测量的精度，需要对恒流源的电流值进行校准工作，校准是通过恒流源电流激励多个已知阻值的高精度电阻，测其两端的电压。即使用电阻代替温度传感器，如下式所示：

(5)

其中：I是需要校准的恒流源的电流值，R为被恒流源激励的已知阻值的电阻值，Vos为传感器输出信号处理电路部分的误差，d为模数转换的输出码，Vref是模数转换的2.5 V参考电压。

当电路预热工作一段时间稳定后，两个已知阻值的精密电阻先后被同一个恒流源激励，通过两次测量可以求出(5)式中的电流值I和信号处理部分的电压偏差Vos，如式(6)所示。在该校准中，电路中的元件均具有非常低的温漂，温漂可以忽略不计。

(6)

2系统的软件实现

程序的整体工作流程如图3所示。

图3　程序流程图

如图3 程序流程图所示，程序处理的关键部分如下：

1)系统的初始化。在此部分，程序主要读取存储在Flash中的设置参数，并根据参数初始化测量系统。包括，存储在Flash中的传感器分度表、恒流源参数、ADC参数、串口相关参数、以太网相关参数、OLED显示屏参数、继电器和蜂鸣器报警保护参数等。

2)执行ADC转换以及温度转化。测量系统分时复用，轮流进行八个通道的温度测量。当测量通道关闭时，系统将不会对关闭的通道进行测量。读到测量数据后，程序通过查表法计算测量通道的温度。

3)基于串口和以太网通信指令处理。串口通信和以太网通信公用一套通信指令，程序判断通信的方式并执行相应的指令处理。每个指令均由单独的程序处理。程序的处理过程大致如下代码所示：

define Cmd_Number 31//定义指令的个数

typedef enum //重定义通信方式

{Cmd_USART=0,Cmd_Ethernet} Cmd_Type;

typedef void (*CmdFun_Type) (Cmd_Type);

//定义指令处理函数指针类型

CmdFun_Type Cmd_Fun[Cmd_Number] = {

//声明一个指令处理函数指针数组，调用不//同的函数处理相应的指令

//函数指针名在此省略

};

当程序接收到指令后，判断是何种指令，并通过吊桶指针数组中的函数指针处理指令。

4)OLED显示屏以及操作界面设置处理。OLED配合独立按键作为人机交互接口。程序的编写采用有限状态机模式，由当前状态和按键的输入状态改变程序的工作状态。对于使用按键设置和输入参数非常适合。

3实际数据测量

本文电路的设计用于支持由恒流源驱动的多种类型温度传感器，例如：电阻型温度传感器和二极管型温度传感器。对于一个特定的温度传感器，如果使用合适的数据处理算法可以得到更高的温度测量精度[2, 4]。由于不同类型的温度传感器具有不同特性，本文并未对特定的传感器温度和输出信号的关系进行讨论。基于以上原因，本文对电路测量精度的测试采用1%或1‰精度的金属膜电阻代替温度传感器。对于一些正温度系数电阻型传感器，以PT100为例，其阻值在低温环境下会降至20 Ω以下，但是对于一些负温度系数温度传感器，在低温环境下，其阻值会增至100 kΩ柑以上。在本测试中，选用11个阻值在1 Ω~100 kΩ的金属膜电阻进行测试，这些电阻的更精确的电阻值由电桥TH2817B测量，如表1所示。

表1　实际被测电阻

在设计中，恒流源输出的电流值和PGA的增益通过软件进行预设。如果改变PGA的增益，需要对AD7193内部执行零电平校准和满量程校准，并且校准工作非常耗费时间。因此，在程序中不能频繁的更改PGA的增益。如果恒流源的输出电流和PGA的增益确定，那么电路能够测量的传感器最大电阻值可以通过(4)式求得。如表2所示，表中I是恒流源的输出电流值，G为PGA的增益。

表 2　理论最大可测电阻值

在实际的数据测量中，AD7193内部的PGA增益被设置为1，同时数据进行以8为均值进行处理。每个被测电阻均被测量200次以上。恒流源3种不同电流值激励电阻的测量结果如表3、表4和表5所示。

表3　1 mA恒流源激励测试结果

表4　100 μA恒流源激励测试结果

表5　10 μA恒流源激励测试结果

由测量结果可知，基本的测量误差和恒流源的电流成线性关系。当恒流源的电流值为10 μA时，测量误差相对于恒流源电流值为1 mA和100 μA的较高。但是在低温测量领域，10 μA恒流源常用于激励NTC型电阻温度传感器，此时传感器通常具有非常高的灵敏度，例如，CX-1070在10K左右的灵敏度约为-103Ω/K，因此，最后的测量精度仍然相对较高。从测量结果可知，电路测量精度满足NBI的需求。

4结束语

本文设计了一种支持多种温度传感器的多通道低温测量电路。用于激励温度传感器的恒流源电流值可以通过软件预设为1 mA, 100 μA or 10 μA，由此实现支持多种由恒流源驱动的不同类型的温度传感器。瞬态抑制二极管的合理应用和隔离型RS232通信可以保证电路可以工作在恶劣的环境中。

参考文献：

[1]Zhao Y Z, Hu C D, Sheng P, et al. Design of timing system software on EAST-NBI [J]. Journal of Fusion Energy，2013, 32:557-560.

[2]Yi X J, Liu C M.Development of high-precision temperature measurement system based on ARM [A]. The ninth international conference on electronic measurement & instruments[C]. Beijing, 2009:795-799.

[3]郑泽祥，姜周曙，黄国辉，等. 铂电阻高精度温度测量系统设计[J]. 机电工程， 2013, 30(12):1494-1497.

[4]Kochan O, Kochan R, Bojko O, et al. Temperature measurement system based on thermocouple with controlled temperature field [A]. 2007 4th IEEE Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems, Technology and Applications[C]. 2007: 47-50.

Multi-channel and Multi-sensor Low Temperature Measurement System

Cui Kui, Hu Chundong, Xie Yuanlai, Cheng Bin, Ma Changcheng, Yang Sihao, Yi Wei

(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei230031, China)

Abstract:A set of temperature measurement points must be arranged on the cryopumps of neutral beam injector (NBI) for the purpose of monitoring their status. A kind of multi-channel low temperature measurement system is designed to meet the demand of NBI which could support multiple temperature sensors. 24-bit sigma-delta (Σ-Δ) analog-to-digital converter (ADC) AD7193 is adopted to perform analog-to-digital conversion. An ARM processor STM32F103ZET6 is used for setting the value of constant current source, switching different channels, controlling ADC, sending the data to the Ethernet by using TCP/IP protocol, RS232 data communication, data processing and controlling some other parts of the circuit. The circuit can be applied in low temperature measurement field which adopts four-wire temperature sensors driven by constant currents.

Keywords：low temperature measurement circuit; multi-channel; multi-sensor; current source; cryopump

文章编号：1671-4598(2016)02-0038-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.010

中图分类号：TH811; TP212

文献标识码：A

作者简介：崔奎(1990-)，男，安徽蒙城人，硕士研究生，主要从事低温测量方向的研究。谢远来(1974-)，男，安徽潜山人，研究员，主要从事低温真空方向的研究。

基金项目：国家磁约束核聚变能发展研究专项项目(2013GB101000)。

收稿日期：2015-08-24；修回日期：2015-09-24。