基于DSP的数字化热电偶温度计设计

　　1　引言

　　温度在工农业生产中是用得最多的热工量,热电偶作为一种接触式温度传感器应用非常普遍,它结构简单,温度范围宽、精度高,响应快。但在传统的热电偶测温中存在以下几个问题:　　其一,应保持冷端温度为零,或进行冷端温度补偿;其二,热电偶的输出电势非常低,一般为几μV至几十μV,满量程输出也只有几十mV至几百mV,必须解决微弱直流信号放大的问题;其三,热电势和温度呈复杂曲线形式,非线性较明显,必须解决非线性补偿问题。其四,不同的分度号的热电偶必须配备与之对应的二次表;其五,多个测点间难以相互通讯。普通的模拟仪表由分立元件或小规模集成电路构成,非线性补偿较困难,且精度不高,结构复杂,成本高。本文采用了美国TI公司生产的TMS320X24X系列定点DSP控制器能够很好解决上述问题。

        TMS320F240 DSP控制器是TI公司推出的专为数字控制系统设计的高速微处理器,采用哈佛结构,含有32位中央算术逻辑单元、32位累加器、16位16位并行硬件乘法器,并带有32位　　结果寄存器和8个辅助寄存器;采用静态COMS工艺技术,4种低功耗操作模式可进一步节电;单指令周期小于50ns,决大多数指令可用单指令周期完成;片上集成事件管理器、ADC、28个可　　编程复用I/O引脚,具有实时中断的看门狗的电路、串行通信接口、串行外设接口等功能外设。并有多种封装形式[1]。

　　2　系统框架

　　系统硬件框图如图1,它由输入回路,DSP的数据处理模块,接口及控制电路,输出回路等几部分构成。输入回路主要包括通过DSP的A/D输入通道对多点的热电偶进行数据采集,以及热电偶冷端温度的测量;输出回路主要是显示电路及模拟量输出部分;数据处理主要有数字滤波的实现、热电偶冷端补偿算法的实现、热电势的非线性处理等。系统软件流程如图2。

　　3　数据采集

　　3.1　热端温度采集

　　为保证所有型号的热电偶均得到A/D满量程、高精度的转换,设计了多量程程控放大系统,对应各种不同的热电偶,温度变送器输出统一的0~5V标准电压信号,充分保证A/D转换器的转换精度。

　　TMS320F240片内配置了一个双十位模拟数字转换模块(ADC),每个单元具有8个模拟输入通道,可以连续的同时或单转换。每个模拟数字转换单元在1个模拟数字转换预定标时钟周期内完成输入采样,在4个预定标时钟周期内完成转换,即在5个模拟数字转换预定标时钟周期内完成全部采样、转换操作,需要约5.5微秒的时间。

　　3.2　冷端温度测量

　　在实验室采用冰浴等恒温方法使热电偶的冷端温度为0℃或维持某一定值,但在测点多且分布广、环境恶劣的条件下是不适用的。目前经常采用的是补偿电路法,这种方法也只能在一定范围内得到补偿,且精确性不高。故在这里采用测量冷端温度的软件补偿法。