一种新型热电偶温度测量装置的设计

　　0　引　言

　　现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种全分散、数字化、智能化、双向、多点、开放式的通信网络[1]。在现有的各种现场总线标准中, PROFIBUS总线是一种比较流行的现场总线标准,并用于PLC系统的PROFIBUS2DP是市场占有率绝对领先的总线技术。基于现场总线的装置在过程控制领域具备广泛的应用背景,使得开发的PROFI2BUS2DP通信接口的现场总线产品在我国有着较大的市场前景[2]。本文主要介绍了一种基于PROFIBUS2DP协议的热电偶温度测量装置。

　　该装置具有两大特征,一是一体化的热电偶测量、放大、A/D转换、冷端补偿等功能的设计,特别是内置冷端补偿电路大大简化了应用系统的设计,减少了常规冷端补偿环节所带来的测量误差;二是基于PROFIBUS2DP的现场总线标准,使其热电偶温度测量装置以从站方式工作,并可通过主站与系统相连。

　　1　系统组成

　　该测量装置由热电偶温度信号采集接口和通信两块电路板构成,装置在功能上完成PROFIBUS2DP从站的功能,系统硬件总体构成如图1所示。温度信号采集接口电路主要由K型热电偶测量芯片MAX6675构成;通信电路由SI2EMENS公司推出的SPC3协议芯片与负责处理通信事务的89C52共同构成。

　　2　MAX6675的工作原理与应用

　　热电偶作为一种主要的测温元件,具有结构简单、使用方便、测温精度高等特点,广泛应用于工业温度控制过程中。但热电偶输出电势极其微弱,而且,存在冷端温度误差和输出电势与被测温度的非线性易引起较大测量误差,尤其在以单片机为核心器件的智能装置中,需进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性、温度补偿及数字化输出接口等软/硬件设计,硬件芯片使用过多,软件编写任务重,不能适应现阶段产品集成化、模块化的需要。MAX6675是专门针对K型热电偶串行模数转换器,它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能,大大简化了热电偶测量智能装置的软/硬件设计[3],其引脚图如图2所示,内部结构图如图3所示。

　　MAX6675内部集成有冷端补偿电路;带有简单的3位串行SPI接口;可将温度信号转换成12位数字量,温度分辨力达0. 25℃;内含热电偶断线检测电路。冷端补偿的温度范围为-20~80℃,可以测量0~1 023. 75℃的温度,基本符合工业上温度测量的需要。SCK为串行时钟输入; CS为片选信号; SO为串行数据输出;T+,T-分别接热电偶的测量端和冷端。

　　当MAX6675的CS引脚从高电平变为低电平时,MAX6675将停止任何信号的转换,并在时钟SCK的作用下通过SO引脚向外输出已转化的数据(此数据是经过放大了的A/D转换后的数字量与冷端补偿之和);相反,当CS从低电平变回高电平时,MAX6675将进行新的转换。在CS引脚从高电平变为低电平时,第一个字节D15出现在引脚SO上,一个完整的数据读过程需要16个时钟周期,数据的读取通常在SCK的下降沿完成。值得指出的是:此芯片的A/D转换速度在0. 17~0. 22 s之间,比之一般的A/D转换芯片所需时间要长得多。