基于CAN现场总线的智能温度采集模块的设计与实现

　　0　引言

　　热电偶是目前工业测温中最常用的传感器,但是在以往经典的应用中,热电偶测温主要存在以下几个问题: (1)要求冷端保持在0℃,希望在室温下测量就需要冷端补偿; (2)需要进行调零、电压放大和线性化等繁琐的工作; (3)需要温度变送器转换成标准电压信号后才能进行采集; (4)难以适应现场总线温度测控的发展需要。

　　CAN (Controller Area Network)总线又称控制器局域网,是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网,现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域[1]。我们基于CAN现场总线和热电偶专用调理芯片设计出的温度采集模块,方便地解决了以往热电偶测温中存在的上述几个问题。

　　1　硬件设计

　　1·1　信号调理电路

　　本文使用的温度传感器为K型热电偶,它是一种使用广泛而价格低廉的测温元件,测温灵敏度约为40μV/℃,最高测量温度可以达到1300℃。图1为K型热电偶的部分温度-热电势关系曲线。从图1可以看出,热电偶的温度-热电势输出信号有较大

　　的非线性,需要进行调零、电压放大和线性化处理等,才能正确地显示数字温度。

文中测温电路采用热电偶信号调理专用芯片AD595。AD595是AD公司针对上述问题设计的专用芯片,内部具有放大、冷端补偿、冰点基准、温差电偶故障报警等电路。芯片在+5~+30 V电压范围内都能正常工作,被测温度与AD595输出电压的关系是10mV/℃。

　　信号调理电路由多路模拟开关CD4051和热偶调理专用芯片AD595及阻容元件组成,如图2所示。模拟开关CD4051的通道控制端A、B和C分别接到89C51的P1·0、P1·1和P1·2,由CPU控制选通不同的采样通道。AD595的第1脚要求接热电偶正极且接地,模拟开关切换的是各热电偶的负极。通过模拟开关CD4051的热偶信号是负电压,按一般要求其第7引脚VEE需接负电源,但实验证明[2], CD4051在VEE接地的情况下仍可通过-0·1V~+Vcc的信号,这样可省去负电源变换器,既缩小了体积又降低了功耗。电位器W用于微调冷端补偿电压。AD595的7脚是负电源端,由于不测0℃以下的温度, 7脚可接地。AD595的12、13脚是热电偶故障报警信号的输出端, 13脚接地,12脚接上拉电阻,热电偶正常时12脚输出高电平,断偶故障时输出低电平。这个逻辑电平连接到89C51的P1. 6脚,软件中以查询方式检测断偶故障。

　　1·2　AD转换与控制电路

　　由于对转换精度要求不高, AD转换电路中使用常用的8位COMS逐次逼近型AD转换器ADC0804,转换与控制电路如图3所示。该芯片的片选信号由89C51的P2·5产生, /RD和/WR读写控制口分别连接到89C51的/RD和/WR管脚,数据输出端口直接与89C51的P0口连接。VIN (+)接调理芯片AD595的输出端, VIN (-)接地,基准电压为5V。由于AD595输出电压与被测温度的关系是10mV/℃,所以该测温电路的有效测温范围为0~500℃。用RAM6264作为8路温度信号的数据缓冲区,分别存贮每个通道的标号和转换结果。转换后的数据在外部中断1中断服务程序中读入数据缓冲区。