分布式热电阻温度采集系统设计

马荣泽，刘振革，李洋，梁鹏飞，纪少波*，于泽庭

1.山东大学能源与动力工程学院，山东济南 250061；2.山东技师学院，山东济南 250200；3.中船重工第七一一研究所，上海 201108

0 引言

温度是过程控制系统中重要的被控变量之一。热电阻是工业中进行温度检测最常用的元件之一，反应快，时间间隔相对较小，具有较高的精度、较好的长期稳定性，测温范围广，工作范围为-200～850 ℃[1-3]可测特定部位或狭小场所的温度，对温度的调节、控制、放大等很容易进行。热电阻传感器(resistance temperature detector,RTD)基于电阻随温度的变化而改变的特性进行温度测量。铂或铜等正温度系数热电阻具有较好的稳定性、线性输出特性以及较宽的测温范围，得到广泛应用[4-5]。刘意等[6]使用 MSP430采集热电阻信号，结合遍历查表法、一次插值法和平滑滤波算法后得出温度；刘伟等[7]使用C8051F350芯片完成对热电阻信号的采集；张粉祝等[8]采用ADC0832为A/D转换器，设计了一个检测范围为0～600 ℃的温度检测报警电路。MAX31865芯片是一款将热电阻模拟信号转换为数字信号的转换器，具有集成度高、分辨率高及可靠性高等优点，还具备故障自诊断功能，适用于对热电阻信号进行处理[9]。本文中基于MAX31865数字输出转换器及单片机设计一套热电阻传感器温度采集系统，以实现温度的高精度测量,并在发动机试验台架上对该系统的稳定性进行验证。

1 系统整体结构设计

基于热电阻传感器以及MAX31865数字输出转换器设计一套温度信号采集、 处理及通信检测系统，包括温度传感器、单片机、MAX31865数字输出转换器等，系统结构如图1所示。热电阻传感器的电阻随温度改变， 传感器信号连接至MAX31865芯片。单片机依次控制各MAX31865芯片的使能端， 实现温度

图1 系统整体结构设计

图3 单片机及周围电路

信号至数字信号的转换，基于串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)总线，按照MAX31865传输协议得到各传感器的温度。采集系统通过RS-485通信将温度实时传给上位机，实现温度的显示。

2 系统硬件结构设计

2.1 热电阻信号处理电路

系统的硬件部分包括热电阻处理电路、单片机及周围电路、电平转换电路和485通信电路等。本采集系统由6路电阻处理电路及其周围电路组成，可同时采集并处理6路电阻信号，使用MAX31865数字输出转换器处理热电阻模拟信号，该芯片内置15位模/数转换器，其精度可达0.5 ℃，并且具有±50 V的过压保护输入，提供可配置的热电阻及电路开路、短路故障检测、SPI兼容接口以及相关的控制逻辑电路。每路热电阻信号处理电路如图2所示。图2中PT100为铂热电阻，即0 ℃时的电阻为100 Ω。根据MAX31865芯片手册推荐，参考电阻应选择RTD 0 ℃电阻的4倍[10]。因此，PT100的参考电阻选用 400 Ω。热电阻采用三线制接线方式，为补偿导线上电阻的压降[11-12]，从差分输入(RTDIN+和RTDIN-)中减去FORCE+和RTDIN+的电压，利用FORCE2引脚对电阻输入进行采样。热电阻产生的模拟信号输入至处理电路，数字输出转换器采集并处理热电阻产生的模拟信号。

2.2 单片机及周围电路

分布式热电阻温度采集系统采用MC9S08DZ60单片机进行信号处理。该单片机具有8位HCS08中央处理器，最高可配置20 MHz总线时钟，支持最多32个中断/复位源，配置60 KiB Flash存储器，最大2 KiB的带电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read only memory,EEPROM)在线可编程内存，最多可提供53个通用I/O管脚和1个专用输入管脚，管脚和片上外围设备(定时器、串行I/O、ADC、MSCAN等)共享，以及SPI模块提供微控制单元(microcontroller unit,MCU)和外围器件间的全双工、同步和串行通信，满足装置的功能需求。

单片机及周围电路如图3所示，分为SPI通信电路、RS-485通信电路和单片机周围电路等。单片机周围电路包括蜂鸣器及液晶显示器(liquid crystal display,LCD)灯电路，通过声音及LCD灯的亮灭状态可判断系统工作状态及故障情况。

2.3 电平转换电路

由于热电阻处理电路采用的MAX31865芯片的工作电压为3.3 V，故需将5 V电源电压转换为3.3 V。SN74LVC4245A具有三态输出的8路总线收发器和5.5 V—3.3 V双电源电平移位器。芯片分为A和B 2组，一组输入，一组输出。其中A组支持1.5～5.5 V电压，B组支持1.5～3.6 V电压，A组供电电压大于B组。该芯片可实现5.5 V—3.3 V的电平转换，能够通过程序控制引脚实现转换方向的反转，电平转换电路如图4所示。74LVC4245的电平移位在其内部进行，双电源能保证两边端口的输出摆幅都能达到满电源幅值[13-14],并且有很好的噪声抑制性能[15-16]。

a)连接SCK及CS的SN74LVC4245A电路 b) 连接SDO的SN74LVC4245A电路

图5 RS-485通信电路

2.4 RS-485通信模块

为了便于热电阻温度采集系统与上位机或其他系统关联，通过通信方式传递数据；考虑本系统对通信距离有一定要求，所以采用RS-485通信模块，实现热电阻温度采集模块与上位机或其他系统之间的数据传输，RS-485是由美国电子工业协会制定并发布的串行数据通信接口标准，具有传输距离长、速度高、电平兼容性好、使用灵活方便、可靠性高等优点[17-18]，数据传输速率最高达到10 MB/s，但仅在距离较小时可实现最大传输速率，当传输距离增大速率将随之减小[19]。RS-485通信电路如图5所示，图5a)为双通道数字隔离器及周围电路，用于隔离收发信号；图5b)为驱动器收发器集成芯片及周围电路；图5c)为光电耦合器及周围电路，用于隔离对RS-485通信电路的控制信号。通信电路接口采用的是差分接收器和平衡驱动器组合的方式，抗共模干扰能力较强。

3 系统软件设计

3.1 RTD至数字输出转换器工作过程

热电阻在测量温度时接线方式有二线制、三线制和四线制[20]，本系统中热电阻采用三线制接线方式。在程序中配置MAX31865各寄存器的值，在进行温度转换时系统可通过向配置寄存器D7位写1使能VBIAS。配置寄存器D6位为1时选择自动(连续)转换模式时，VBIAS保持有效状态；系统向该位写入0，退出自动转换模式，进入“常闭”模式，该模式下可发送单次转换命令。 由于使用三线RTD连接，配置寄存器D4位为1。向D5、D3和D2位为0的同时向故障状态清零(D1)位写入1，将使故障寄存器的全部故障状态位(D[7:2])清零。

图6 热电阻信号采集流程图

热电阻输入采集模块采用MAX31865芯片内部的15位ADC进行模数转换，转换得到的数字信号存放在两个8位寄存器中，高8位地址为0x01，低8位地址为0x02，其中低8位寄存器的最低位D0位为错误标志位。热电阻信号采集流程图如图6所示，转换模块在操作状态下采集模拟信号，通过使能片选信号(chip select,CS)来选择某个通道，随后通过程序由单片机向MAX31865芯片发送读寄存器的指令，转换芯片收到指令后开始读取热电阻寄存器中存储的数值，若读取到低8位寄存器的D0故障位置位时，该通道故障，则将故障寄存器置位后将故障寄存器数值发送至单片机；若无故障，则将处理后的数字信号通过SPI发送传至单片机，由单片机进行计算得到当前热电阻所测温度，该通道热电阻信号采集结束。计算得到的温度可通过RS-485通信模块上传至上位机，由上位机做进一步的数据分析。

铂热电阻的电阻与温度的关系可用Callendar-Van Dusen方程表示[21]为：

R(t)=R0(1+at+bt2+c(t-100)t3)，

(1)

式中：t为温度；R(t)为温度t时热电阻的电阻；R0为t=0 ℃时热电阻的电阻；a、b、c为系数，其中a=3.908 30×10-3，b=-5.775 00×10-7，当-200 ℃≤t≤ 0 ℃,时c=-4.183 01×10-12;当0 ℃ ≤t≤ 850 ℃时,c= 0。

在RTD的电阻已知且电阻特性定义良好的情况下，可通过式(1)确定温度。

MAX31865芯片可实现热电阻或电路连接故障的检测，若在采集及处理信号过程中出现故障，则系统会停止工作并将故障信息一并发送至单片机，故障检测流程图如图7所示。

a)始终激活故障检测 b)每次转换故障检测

芯片在任意时间始终激活对FORCE+、FORCE2、RTDIN+、RTDIN-或FORCE-引脚的电压检测，具有高达±50 V的输入电压保护。由图6a)可知，在任意时间点检测到发生过压(大于VDD)或欠压(小于GND1)，开关开路，故障状态寄存器的D2置位，模数转换(analog to digital converter,ADC)中止数据转换更新，直到故障解除后恢复转换。芯片在每次进行ADC转换时对检测结果进行检测，由图6b)可知，ADC启动转换后执行对模拟信号的转换，在检测到转换数据大于或等于转换结果上限时将故障状态寄存器的D7置位，小于或等于转换结果下限时将故障状态寄存器的D6置位，所有故障信息在LSB寄存器D0置位后将信息传输给单片机。

3.2 单片机软件设计

系统通电后，单片机首先完成系统初始化，包括时钟初始化、定时器初始化、I/O口初始化等；系统按照程序设定完成初始化后，进入正常工作模式。单片机依次使能各通道的CS信号，通过SPI通信从MAX31865数字输出转换器得到温度数据，并通过RS-485通信方式将各路温度数据发送至上位机，实现上位机的温度显示及存储等操作。

4 试验测试

4.1 温度标定

在恒温油槽中对该分布式热电阻温度采集系统进行标定，在20～120 ℃，每隔20 ℃对该温度采集系统进行标定。此次标定中，采用的恒温油槽适用温度范围为(室温+10 ℃)～300 ℃，温度波动范围为±0.05 ℃。使用所设计的分布式热电阻温度采集系统，在各标定温度下，使用各通道进行测量，得到各标定点温度下6个通道的温度如表1所示。由表1可知，各标定点工况下，该系统各测试通道的最大温度偏差均在0.5 ℃以内，系统各通道一致性较好。

表1 各标定点温度下6个通道的温度 ℃

标准温度通道1通道2通道3通道4通道5通道62019.820.220.120.020.219.94040.339.940.139.739.640.26060.260.059.960.059.760.08080.180.180.080.280.280.0100100.0100.3100.3100.0100.3100.2120120.4120.2120.0120.3120.5120.3

4.2 试验测试

采用该测试系统对某公司生产的140柴油机进行性能测试试验，发动机转速为2100 r/min，扭矩不同时，分布式温度采集系统同时采集主油道机油温度、增压器回油温度、油冷前机油温度和油冷后机油温度，如表2所示。

表2 柴油机各部位温度采集数据 ℃

图8 柴油机各部位温度随扭矩的变化曲线

柴油机各部位温度随扭矩的变化曲线如图8所示。在研究所用工况下，由图8可知，随着扭矩的增加，增压器回油温度上升幅度最大，当扭矩由500 N·m增至2000 N·m时，温度上升约10 ℃；上升幅度最小的是主油道机油温度。

整个测试过程中,系统可以长时间稳定运行，可以实现高精度的温度测量，满足工业领域的温度采集要求。

5 结论

1)基于单片机和MAX31865数字转换器设计了一套热电阻温度信号采集系统，系统具备六路热电阻信号采集、处理及通信等功能。

2)单片机依次控制各MAX31865芯片的使能端,实现温度信号至数字信号的转换，基于SPI总线按照MAX31865传输协议得到各传感器的温度。

3)采用该系统在发动机台架上，测量柴油机各处机油温度，结果表明，本系统工作稳定可靠，满足台架测试的要求。