基于无线传输的热电偶测温系统设计

王 军，张彦军，梁晓辉

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；2.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳 621900)

0 引言

在现代工业生产和科学实验中，经常需要对温度信号进行精确测量，温度测量环境一般都比较恶劣[1-2]。热电偶作为无源传感器，不需要额外的供电，同时具有结构简单、性能稳定、热响应快、精确度高等优点[3]，所以在温度测量领域得到广泛应用。

热电偶本身产生的信号微弱，后续调理和数据远距离传输过程中很容易受干扰。传统的做法是将热电偶和测量装置用标称值相同的补偿导线连接[4-5]，或者通过温度变送器把热电偶信号转换成电信号传输[6]，但如果补偿导线过长会造成热电偶信号失真，测量的温度不准确，而且补偿导线和温度变送器都要考虑布线问题。而无线通信的方式能够解决上述复杂的布线问题，减少数据传输过程的信号干扰，降低测量成本，实现高速稳定的信号传输[7]。因此，设计了一种无线传输的热电偶测温系统[8]。

1 总体设计

FPGA具有低功耗、集成度高、开发周期短、低成本、高性能等优点。本系统选用XC3S400作为主控单元[9-10]。硬件系统包括采集调理模块、AD转换模块、FLASH存储模块、CC3200无线通信模块。系统总体框图如图1所示。

首先将热电偶传感器产生的信号传递到调理电路，经过补偿、增益调理后，再由AD转换模块把模拟信号转换为数字信号并将该数字信号传给主控模块进行数字滤波、编码处理，最后数据发送到射频电路实现无线通信。

图1 系统流程图

2 硬件电路设计

2.1 采集调理模块的设计

AD8495是热电偶专用补偿参考结点温度的精密仪表放大器，差分输入特性使其具有较高的共模抑制比，降低引线的共模干扰。内置温度传感器对热电偶参考结点所处环境的温度变化实时监测以便补偿。固定增益放大器放大热电偶的微弱电信号，提供线性输出。二级放大部分采用OP200AZ构成同相比例放大器。调理电路原理图如图2所示。

图2 调理电路原理图

热电偶输入信号先经过低通滤波，该滤波器是为了消除RF信号，如果任其输入到AD8495可能会被整流，表现为温度波动。AD8495固定增益122.4，为了使输出电压符合AD转换模块的采集要求，二级放大倍数设为4。图2中，“+WD”和“-WD”分别连接热电偶的正极和负极，R1是阻值1 MΩ的接地电阻，主要为了实现AD8495的开路检测功能。根据AD8495的Vout管脚输出的电压可以导出测量温度。

传递函数如下

T1=(VOUT-VREF)/(5 mV/℃)

式中：T1为测量温度，℃；VOUT为AD8495的输出电压，mV;VREF为REF引脚的输入参考电压，V。

主要是在单电源供电时测量负温度使用，本设计中双电源供电，故参考电压引脚接地。

2.2 存储模块的设计

由于FPGA内部存储空间有限，所以本设计采用外部FLASH存储数据。FPGA芯片主要通过查询FLASH存储单元的工作状态给其下发读写命令，将数据从RAM缓存器传到数据存储器中，实现存储功能。图3所示为FLASH芯片的电路原理图，为了实现阻抗匹配，该芯片和FPGA通过排阻连接。

图3 FLASH存储单元的电路原理图

2.3 CC3200无线通信模块的设计

CC3200芯片的外围电路原理图如图4所示，其中40 MHz的晶振用于提供片内微处理器的振荡时钟，32.768 kHz的晶振主要为芯片内部定时器和实时操作系统提供时钟源。天线部分需要特别注意使用不同的滤波器时，在滤波器和天线之间的电容电感接法不同。

图4 CC3200外围电路原理图

3 软件设计

3.1 逻辑时序的设计

主控芯片XC3S400的主要功能是控制AD7606芯片的时序，以固定的采样率获取热电偶采集的模拟电信号并对其量化处理。采样时序如图5所示，CONVSTA和CONVSTB短接在一起即图中的ad_convstab，所有通道同时采样。ad_busy在ad_convstab到达上升沿之后变为逻辑高电平，转换过程开始，直到ad_busy下降沿表示转换数据被存到输出数据寄存器可供读取。first_data在ad_cs下降沿脱离三态，与通道对应的ad_rd下降沿将first_data置为高电平，表示输出数据总线可以提供该通道的转换结果。

图5 AD采样时序图

3.2 无线通信的实现

在数据接收设计中，采用中断的方式保证CC3200能够及时响应UART传来的数据，当UART接口收到数据，程序立刻进入中断将接收到的数据缓存并打包等待无线发送。发送命令的设计是将中断函数缓存的数据以TCP方式转发，同时要配合上位机的指令控制。流程图如图6所示。

图6 WiFi实时控制数据流程图

4 实验结果分析

针对本文的设计，在高低温箱中分别测试使用补偿导线和无线通信得到的数据，对比分析两种传输方式的信号稳定性。由于高低温箱中的实际温度实时变化，故采用标准铂电阻Pt100标定高低温箱中的实际温度。无线通信的实验结果如表1所示，每隔10 ℃左右测一次信号,测量的电压信号先经过AD8495放大122.4倍，再由二级放大电路放大4倍得到，最后要在上位机软件处理将数据还原为温度格式。

表1 实验测量结果

图7(a)、(b)分别是采用补偿导线和无线在距离20 m时测量的数据图，图中的趋势线是按设计原理根据理论电压和温度关系绘制的。可以看出图7(a)由于补偿导线过长引起信号衰减和干扰现象，测量数据较理论值有所下降，波动较大，超出允许误差范围。图7(b)通过无线测量的数据和理论值高度契合，结果在允许误差范围内。

(a)

(b)图7 MATLAB数据分析

5 结论

本文设计的无线通信方式测量热电偶传感器的温度有效地解决了补偿导线过长引起的信号衰减、传输过程中强电干扰耦合、布线复杂等问题，使得检测操作更加方便灵活。从实验数据可知，该方法提高了测量结果的可靠性和精确度。