一种高精度温度采集系统的设计

　　在工控产品中,温度是一个重要的监控量。在需要精确测量温度的应用中,一般使用PT100作为温度传感器。PT100电阻值和温度是函数关系,可由电阻值算出温度值。测量电阻值的方法是用恒流源或恒压源驱动PT100,把电阻值变为电压值,通过ADC采集电压值,即可算出电阻值,进而计算出温度值。由于PT100的电阻值和温度不是线性关系,需要通过硬件或软件校正。本文介绍的采集方法中,用含有单一正弦波成分的恒压源驱动PT100,由ADC采集到的数据中的单一正弦波(频率同驱动正弦波的频率)包含电阻值的信息,通过DFT处理和软件校正,最后算出温度值。

　　1　系统结构

　　配电变压器智能终端(TTU)一个重要功能是温度测量,要求高抗干扰性能和测量精度。本文介绍的温度采集方法可以满足要求,并可以减轻复杂的电路设计和过高的成本。温度采集部分结构示意图如图1所示。

　　该系统主要由LCD显示屏、键盘、继电器输出、通讯模块和其他功能模块。LCD显示屏用来显示包括温度在内的各个电参数、历史数据记录,以及各个功能模块的状态。键盘用来设置系统参数、温度校正、风机开关温度阈值、线圈温度报警阈值等。继电器输出用于控制报警装置、风机开关等。通讯模块负责和PC机通信。系统中ADuC812是AD公司推出的高度集成的高精度12位数据采集系统。该芯片内核与8 052兼容,单个芯片内包含8通道12位自校准ADC,两个12位电压输出DAC,片内40 ppm/℃电压基准,片内温度传感器,高速ADC至RAM捕获DMA控制器,I2C和SPI串行I/O口,看门狗定时器和电源监视器,640字节Flash数据存储器,片内充电泵,16 M字节外部数据地址空间。

　　2　系统工作原理

　　单片机ADuC812是整个电路的核心。ADuC812通过内置DAC输出一正弦波,由运放A放大后驱动R1,R2,R3和PT100组成采样电桥,采样电桥的输出信号由运放B放大后,输出到ADuC812内置的ADC端口,并由ADC完成数据采集。这一过程实现温度信号的采集。

　　采集到的数据波形与DAC输出的波形相似,都是正弦波,但幅值不同。对于一个确定的温度采集电路,DAC输出幅值不变,运放A放大倍数不变,即采样电桥的激励信号不变,影响采集到的数据幅值变化的只有温度传感器PT100的阻值。由于采集到的数据波形为正弦波,可以使用DFT方法处理,算出基波的幅值,且只有基波的幅值与温度相对应。基波幅值与实际温度之间的对应关系预先存放在ADuC812芯片里,通过查表和插值运算,即可得出实际温度值。

　　由采样定理知道,一个正弦波至少需要抽样两次。DAC输出的正弦波由32个抽样点模拟生成,即对于一个周期为T的正弦波,每隔T/32取一个抽样点。函数如下