极地多点低温低功耗高精度柔性温度链的设计*

章 恒,窦银科,马春燕,左广宇,杨望笑,张虎啸,王煜尘

(太原理工大学电气与动力工程学院,太原 030024)

极地作为地球上最大冷源,其冰盖或海冰热力学的变化对全球大气环流、气候变化和海平面变化有极大影响,极地浅层冰盖和海冰温度场的变化直接反映了温度变化与极地冰雪热动力学直接相关,是研究全球气候变化的指示剂[1],所以极地冰雪多点连续温度场的精确检测非常重要。国内大连理工大学的李志军教授曾设计了用于观测海冰温度场的多点温度观测装置。每个层位的测温铂电阻需一根独立的信号线缆直接与数据采集盒连接,不足之处是随测量层位的增多,会导致导线越多。国外,苏格兰海洋协会开发了基于半导体温度传感器DS28EA00的多点测温的温度链,该产品的灵活性较高,多用于测量海、冰、气温度剖面,来计算海冰厚度,但是由于所使用的DS28EA00温度传感器具有测温精度较低的缺陷,使得该产品无法满足高精度测量极地温度场的需求。

常见的电学测温主要有热敏电阻、热电偶和半导体等方法。其中热敏电阻的阻值与温度关系的非线性误差较大,元件的一致性差,易老化不稳定,且绝大多数热敏电阻仅适合0～150 ℃的测温范围。热电偶的测量温度范围广,但是精度低。半导体测温受温漂影响较大,尤其在低温下精度会大幅度下降,并不适合在极地极低温环境中使用。在多点测温系统中较为成熟的单总线温度传感器为DS18B20[2-5],该传感器以64位序列号作为唯一的地址,可以实现一根总线上链接多个温度传感器,但仍然具有测量精度低和低温性能不佳的劣势,不适用于极地冰盖温度场的高精度观测。文献[6-10]采用铂电阻测温,但是不具有链接功能。文献[11]为多通道铂电阻测温的相关研究,但是采用的方法是通过模拟开关CD4052进行多路选择,不仅测量点数数量有限,而且这种测量方法当测量点数较多距离较远时就需要大量的导线,因为每路铂电阻都需要单独一对导线。针对以上问题,本文设计多点测温系统使用多机通讯方式,从机采用低功耗单片机MSP430G2553、24位高精度AD转换芯片和铂电阻,既保证了较高的测量精度又实现了每个从机可以设置自己独有的地址,无需增加额外的线缆。主机和从机采用RS485总线的通讯方式,主机与50个从机共同链接在485总线上,而且从机个数可以视测量深度和点数进行相应变动,具有极大的灵活性。对本测温系统进行了野外现场试验,验证了温度链在极地低温环境的适用性。

1 铂电阻温度链测温原理及结构

本文以Pt1000铂电阻作为敏感元件进行精确的单点温度测量。铂电阻测温工作原理为:铂金属材料在不同的温度下电导率不同,铂丝的电导率与温度之间大致成正比的关系,其可测量的温度范围大致在-200 ℃～600 ℃。Pt1000温度传感器还具有抗振动、稳定、测温精度高、耐高压、寿命较长等优点[12]。

Pt1000在0 ℃下阻值R0=1 000 Ω,以0 ℃为分界线,铂电阻阻值与温度关系可以分为两个温度段,具体关系式为[13]:

温度在-200 ℃～0 ℃之间时:

RPt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

(1)

在0～650 ℃之间时:

RPt=R0(1+At+Bt2)

(2)

式中:t为温度(℃);RPt为铂电阻在t℃的阻值(Ω);R0为铂电阻在0 ℃的阻值(Ω);A、B、C的值分别为A=3.908 02×10-3℃-1、B=-5.801 95×10-7℃-2、C=-4.273 50×10-12℃-3。

非平衡电桥在信号调理电路中应用极为广泛[14],利用非平衡电桥可以测量连续变化物理量的优势测出铂电阻阻值,再根据阻值计算出温度。

本文设计的多点测温的温度链结构如图1所示,外部设备拥有最高控制权,能够通过任何带串口的设备对主机发送指令,比如计算机、工控机、单片机等;主机根据接收的指令执行相应的命令,并把必要的消息传达给相应的从机;从机主要任务精确测量当前温度点的温度,当没有任务时处于待机休眠状态,接收到主机发送的指令就立刻退出休眠,判断要执行的任务,即刻进行处理并回复消息。

图1 温度链结构图

图2 柔性温度链实物图

2 温度链构建方案

2.1 硬件方案

本文所设计的温度链主要用于测量极地冰盖或海冰不同深度冰层或冰水层的温度场,故而温度链需要有防水、耐低温的功能。为防止海水侵蚀对温度链进行硫化处理,为保证温度链在低温条件下正常工作,在元件选型时选用耐低温元件。温度链主要分为三部分,主机、从机、硬质和柔性电路板。主机既要保证其与从机的数据交互准确又要确保其与外界通讯顺利。从机要保证功耗低、精度高、响应快。为了防止极地条件下冰层的挤压使温度链发生破坏性的形变,所以在设计中采用柔性电路板与硬质电路板相结合的方式,这样设计出的温度链既可以弯曲且有一定的柔韧性,方便运输携带,还可以抗拒一定的外力影响。温度链实物如图2所示。

温度链的主机和从机均采用硬质电路板,保证了电子元器件的稳定性,从机之间的链接采用柔性电路板,柔性电路板上仅布有4根线分别用于供电和通讯,通过提前预留的焊盘与柔性电路板焊接到一起。从机的硬质PCB电路板长度为2.5 cm,考虑到柔性电路板有足够的弯曲空间,所以各个温度点之间的最小间距设定为3 cm。温度链经过防水处理后,宽度约为22 mm。温度链系统图如图3所示。

图3 温度链系统图

主机与从机之间通讯方式选用RS485总线标准,采用具有八分之一负载阻抗的MAX1483ESA芯片,通讯传输距离可达1.2 km,数据传输速率高达2.5 Mbyte/s,可以满足千米级温度链的需求。

2.2 从机电路设计

从机选用的主控芯片为MSP430G2553单片机,此芯片由TI公司生产,正常运行程序时主频设置为1 MHz、2.2 V供电情况下电流为230 μA,待机模式下电流为0.5 μA,从待机模式中唤醒的时间小于1 μs。高精度模拟量采集芯片选用TI公司生产的精密24位模数转换芯片ADS1232,其高度集成的24位ADC电路,包含多路输入、低噪声PGA、三阶的调制器及四阶的数字滤波器。ADS1232还具有低功耗待机模式或完全断电模式,可降低从机功耗。

从机电路主要考虑的是测温精度高,体积小,功耗低,方便集成至柔性电路板,为减小从机体积,模数转换芯片ADS1232使用内部振荡器。由于AD模块与铂电阻距离极短,线路电阻可以忽略,所以信号调理电路使用非平衡电桥法,可以获取较高精度的铂电阻阻值。从机电路图如图4所示。

图4 从机电路图

图4中的组成主要有电桥、模数转换芯片ADS1232、单片机MSP430G2553、串口TTL电平与485电平转换芯片MAX1483。根据芯片的数据手册对从机的硬件电路进行设计。从机电源电压等级有3.3 V和5 V,使用3.3 V为单片机MSP430G2553和ADS1232的数字供电口供电。为了减小数字信号对模拟信号的影响,分别独立设计5 V的模拟电源AVCC和数字电源DVCC两种,电桥和ADS1232模拟供电口均采用5V电压供电。

单片机MSP430G2553与ADS1232之间通讯使用简单的串行数字接口,当一次模数转换结束后,DOUT引脚会由高电平变为低电平,单片机MSP430G2553的P2.3引脚检测到该电平的变化后由P2.4引脚向ADS1232的SCLK引脚发出时钟信号,每当SCLK接收到上升沿时,ADS1232将数据通过DOUT引脚从高位到低位逐一输出。PDWN引脚用于控制ADS1232是否进入低功耗,进入低功耗模式时其功耗接近于零。

电桥两端输入电压UAC作为ADS1232的参考电压VREF,即UAC=VREF,电桥的输出电压ΔUo作为ADS1232的测量电压,其中参考电压VREF=VREFP-VREFN,输出电压ΔUo为:

(3)

由ADS1232数据手册得知AD转换得到的数据ADCX为:

(4)

由式(4)可知,ADCX的值与ΔUo/VREF值成正比,由式(3)可知当R1、R2、R3为定值时,ΔUo/VREF仅与电阻RPt阻值有关,联立式(3)、式(4)可知所测铂电阻阻值RPt仅与增益G和ADCX有关。所以温度一定的情况下,这种测量阻值方法不受输入电压波动的影响。即在温度一定的情况下,即使电桥两端输入电压UAC发生改变,ΔUo与VREF比值不变,ADCX的值不会受到系统电压的影响,从而可以更精确的计算出铂电阻阻值。

为了方便计算,在设计电桥时选用R3=1 kΩ,且令R1=R2。由ADS1232数据手册查知ADCX的变化范围是-223～223-1,在测量温度范围一定时,即铂电阻阻值RPt变化范围一定时,由式(5)可知此时增益G越大桥臂电阻R1和R2的值就越大。ADS1232的低噪声可编程增益有1、2、64、128。本文选用了较大的增益为64,可以在一定程度上增大桥臂电阻R1和R2,从而减小产生电阻发热的影响,从而提高了测量精度。最终桥臂电阻阻值选取为R1=R2=47 kΩ,R3=1 kΩ,计算得可测得温度范围约为-100 ℃～+100 ℃,在此温度范围内铂电阻阻值范围是602.6 Ω～1385.1 Ω,计算可得流过Pt1000的电流范围为67.9 μA～69.4 μA,满足极地条件下的测温需求。

当G=64,R1=R2=47 kΩ,R3=1 kΩ时,由式(3)和式(4)得RPt为:

(5)

由于ADS1232的测量电压可以是双极性的,可以通过识别ADCX的符号位来判断温度的正负值。由式(5)可知,铂电阻的测量精度仅与桥臂电阻和AD转换模块精度有关。桥臂电阻使用高精度电阻并可通过单片机中的算法进行校准补偿。模数转换芯片ADS1232为24位高精度转换模块,非线性度典型值为±0.000 2%,所以测温单元具有较高的测量精度。

2.3 主机电路设计

主机单片机选用STC15W4K56S4,这款单片机的主频30 MHz,具有四个串口,满足通讯的需求。主机电路结构较为简单,主要由51单片机、场效应管、MAX1483组成。其结构图如图5所示。

图5 主机结构图

2.4 温度链内部通讯协议

温度链采用RS485通讯方式,一主多从的通讯结构,即各个从机只能与主机进行通讯,从机之间不能通讯。使用这种通讯结构,总线中的主机发送指令,所有的从机均能收到指令,因此主机可以进行广播通讯,发出指令使所有的从机在同一时刻采集温度,主机再分别在从机处逐一读取回温度数据。采用这种方式可以保证温度链能同时采得所有温度点的温度值。主机与从机的通讯协议是温度数据能够正确传输的保障,为满足通讯要求,制定了温度链主机与从机之间的通讯协议[15],其帧格式如图6所示。

图6 通讯协议帧格式

温度链内部主从机之间通讯协议中每一个数据包中含有帧头、长度、目标地址、源地址、指令、数据、CRC校验。其中指令即为要执行的命令,从机指令中包括写地址、读地址、测量温度、读取温度、温度校准等。主机指令中包括写地址、读地址、设置采样间隔、获取采样间隔、设置从机个数、获取从机个数、上传温度数据、设置采样模式等。本通讯协议中,所有的从机不仅有自己单独的地址而且有一个公共地址0xFFFF。设置公共地址的目的是为了方便主机进行广播通讯,设置单独的地址是为了主机能够逐个获取从机采集到的温度数据,以防通讯紊乱。

3 温度链性能评估分析

3.1 温度链功耗测试

由于温度链从机个数较多,降低从机功耗可以有效的控制温度链功耗。在程序设计中,从机在空闲状态下单片机控制ADS1232芯片进入待机模式,并且单片机进入低功耗模式LPM3,而MAX1483芯片由于需要时刻等待RS485总线上的数据保持接收状态所以不能进入低功耗模式,此时的功耗主要集中在MAX1483上,这时便是温度链的最低功耗。当从机需要执行命令时,主机会通过RS485总线向从机发出数据包,从机接收到数据包后进行判断,当数据包中的目标地址与从机地址相同时,通过单片机的串口中断程序退出低功耗模式并执行相应的命令,工作完之后立即进入低功耗模式LPM3。

对温度链中的单个从机和主机进行功耗测试,使用Agilent E3632A电源调至5.000 V进行供电、Agilent34401A数字万用表测量电流,功耗即为电压与电流的乘积,测得的数据如表1、表2所示。

表1 从机功耗

表2 主机功耗

在睡眠时主机单片机控制场效应管关断所有温度点电源,所以整条温度链睡眠电流为 0.03 mA。测量温度时最大工作电流为(5.98+2.8×n)mA,其中n为测量的温度点数,实际测试50个点的温度链的最大电流157 mA,低功耗模式下最小电流为0.033 mA,在极地的实际使用中,满足极地的低功耗需求。

3.2 测温单元误差间接分析

由于本温度链的各温度单元相互独立,铂电阻在测温单元的引出线只有几毫米,引线电阻可以忽略,测得的电阻即可认为是为铂电阻阻值。桥臂电阻所采用的电阻精度为0.01%、温漂为5×10-6;24位高精度模数转换芯片ADS1232非线性度典型值为±0.000 2%。在不考虑老化的情况下,每个测温单元在同一温度下的桥臂电阻阻值是一定的,虽然使用的电阻精度是0.01%,但是可以通过在不同温度下的校准来补偿电阻产生的误差。

通过把从机放在温度箱中,每隔10 ℃对测温单元进行一次校准,来消除主要由温漂带来的误差。在测量温度时自动读取校准值来进行拟合,通过算法的跟踪补偿校准,使得本温度链各测温单元具有较高的测温精度。

随机取出一个从机,为了测试精度方便,在常温下使用电阻箱对测温电路的精度进行间接测试。使用电阻箱代替铂电阻,在不同的阻值下使用测温电路对其进行阻值测试,测量电路的误差,实验测得的数据见表3。

表3 实验数据误差分析

表3中实测平均值为使用测温电路对电阻箱的阻值测量10次后取得的平均值,理论温度和实测温度分别为电阻箱阻值和实测平均值根据式(1)、式(2)计算出的理论温度值。从表3中可知测温电路测得的电阻最大相对误差为0.002 7%,计算的测量温度最大误差为0.006 9 ℃,满足极地条件下的温度采集需求。

3.3 温度链现场应用与数据分析

2017年1月31日～2018年2月27日冬季于内蒙古乌梁素海对温度链进行测试,安装时间:2018年1月31日,安装位置:40°57.369 8′ N,108°56.121 0′ E,安装时冰厚:37.8 cm,安装时水深:140 cm,第23个测温点位于冰面位置,第50个测温点位于冰面下1.3 m位置处,安装时照片如图7所示。

图7 安装时照片

本次实验制作了一条50个测温点的温度链、测温点之间间隔5 cm,总长2.5 m。在第37个点安装一支精度为0.01 ℃的温度探头。

读取2018年2月1日的温度链实测数据,绘制温度链不同点温度值如图8所示。

图8 温度链实测数据

由图8分析可知,可以明显看出空气、冰和水之间的温度差异。第23个点为空气与冰的分界面,约在温度链的第31个点为冰水分界面。温度链的第37个点,位于冰下约0.7 m处,与放置此处的精度为0.01 ℃温度探头进行对比,误差分析如图9所示。

图9 误差分析

图9中的最大标准差约为0.14 ℃,标准差较大的原因可能是因为温度链经过了硫化处理,具有一定的隔热作用导致温度不能及时的传导至温度敏感单元。白天6:00～18:00受光照和天气的影响,温度变化较快,所以白天的误差较大,而晚上18:00～6:00不受阳光影响,温度变化慢,此阶段的最大标准差约为0.07 ℃,最小标准差为0.00 ℃。

在一天内每10 min采集一次温度数据,选取2018年2月1日三个层位的实测数据,温度链不同测温点温度数据与时间的关系如图10所示。

图10 不同点温度与时间关系

由图10可知,空气、冰和水在一天内的温度变化情况明显不同,第1个测温点温度变化曲线即为空气温度变化曲线,空气温度受气流和光照影响较大,所以一天内的温度变化范围较大。第30个测温点和第50个测温点温度变化曲线变化范围较小,对其进行纵坐标放大,如图11、图12所示。

图11 第30个点温度变化曲线

图12 第50个点温度变化曲线

图11为第30个点测得冰的温度变化曲线,变化范围约为0.6 ℃,图12为第50个点测得水的温度变化曲线,变化范围约为0.07 ℃,通过与第1个测温点温度变化曲线对比,三者变化趋势大致相同,证明温度链可检测到水和冰温度的变化。由于在数据传输过程中为了减少数据量,测量的温度值仅保留两位有效数字,满足极地测温需求。

4 结论

多点低温低功耗高精度铂电阻温度链,不仅具有较高测量精度、较低的功耗,而且使用RS485总线通讯的方式,理论上可以链接数百个温度传感器,每个传感器均具有各自可以更改的16位地址。测温单元测温范围为-100 ℃～100 ℃,理论分辨率为0.000 33 ℃,使用电阻箱实测其最大测量误差为0.006 9 ℃。采用的24位模数转换芯片ADS1232,用其直接测量电桥输出电压与电桥输入电压比值的方法,使测量精度不受外部供电电压波动的影响。通过温度补偿,降低了桥臂电阻精度和ADS1232模数转换精度影响。经过实验室低温柜低温实验表明温度链在-70 ℃的环境下可以正常工作,工作范围和精度已超过一般半导体温度传感器,本文设计的基于Pt1000高精度温度传感器有明显的优势。