基于無線傳輸的熱電偶測溫系統設計

摘要:針對熱電偶測量系統遠距離進行溫度監測時,存在信號干擾、布線復雜等問題,設計了一種無線通信的測量系統。該系統以CC3200為核心,根據TCP協議實現了采集端和接收端之間的點對點數據傳輸。采集端對熱電偶信號進行調理,調理精度在±1.5℃之內,把AD轉換數據傳給無線發送模塊,經接收端轉發上傳到上位機。實驗結果表明,無線傳輸的信號穩定性及可靠性高。
0引言
　　在現代工業生產和科學實驗中,經常需要對溫度信號進行正確測量,溫度測量環境一般都比較惡劣。熱電偶作為無源傳感器,不需要額外的供電，同時具有結構簡單、性能穩定、熱響應快、精度高等優點[$],所以在溫度測量領域得到廣泛應用。
　　熱電偶本身產生的信號微弱,后續調理和數據遠距離傳輸過程中很容易受干擾。傳統的做法是將熱電偶和測量裝置用標稱值相同的補償導線連接，或者通過溫度變送器把熱電偶信號轉換成電信號傳輸,但如果補償導線過長會造成熱電偶信號失真，測量的溫度不準確,而且補償導線和溫度變送器都要考慮布線問題。而無線通信的方式能夠解決上述復雜的布線問題，減少數據傳輸過程的信號干擾,降低測量成本,實現高速穩定的信號傳輸[7]。因此,設計了一種無線傳輸的熱電偶測溫系統。
1總體設計
　　FPGA具有低功耗、集成度高、開發周期短、低成本等優點。選用XC3S400作為主控單元。硬件系統包括采集調理模塊、AD轉換模塊、FLASH存儲模塊、CC3200無線通信模塊。系統總體框圖如圖1所示。
 
　　首先將熱電偶傳感器產生的信號傳遞到調理電路,經過補償、增益調理后,再由AD轉換模塊把模擬信號轉換為數字信號并將該數字信號傳給主控模塊進行數字濾波、編碼處理,最后數據發送到射頻電路實現無線通信。
2硬件電路設計
2.1采集調理模塊的設計
　　AD8495是熱電偶專用補償參考結點溫度的精密儀表放大器,差分輸人特性使其具有較高的共模抑制比,降低引線的共模干擾。內置溫度傳感器對熱電偶參考結點所處環境的溫度變化實時監測以便補償。固定增益放大器放大熱電偶的微弱電信號，提供線性輸出。二級放大部分采用0P200AZ構成同相比例放大器調理電路原理圖如圖2所示。
 
　　熱電偶輸入信號先經過低通濾波,該濾波器是為了消除RF信號,如果任其輸人到AD8495可能會被整流,表現為溫度波動。AD8495固定增益122.4,為了使輸出電壓符合AD轉換模塊的采集要求,二級放大倍數設為4。圖2中,“+WD"和“-WD”分別連接熱電偶的正極和負極,R1是阻值1MΩ的接地電阻,主要為了實現AD8495的開路檢測功能。根據AD8495的Vout管腳輸出的電壓可以導出測量溫度。
傳遞函數如下
T1=(Vout-VREF)/(5mV/℃)
　　式中:T1為測量溫度,℃;VouT為AD8495的輸出電壓，mV;VREF為REF引腳的輸人參考電壓,V。
　　主要是在單電源供電時測量負溫度使用,雙電源供電,故參考電壓引腳接地。
2.2存儲模塊的設計
　　由于FPGA內部存儲空間有限,所以采用外部FLASH存儲數據。FPGA芯片主要通過查詢FLASH存儲單元的工作狀態給其下發讀寫命令,將數據從RAM緩存器傳到數據存儲器中,實現存儲功能。圖3所示為FLASH芯片的電路原理圖,為了實現阻抗匹配,該芯片和FPGA通過排阻連接。
 
2.3CC3200無線通信模塊的設計
　　CC3200芯片的外圍電路原理圖如圖4所示,其中40MHz的晶振用于提供片內微處理器的振蕩時鐘,32.768kHz的晶振主要為芯片內部定時器和實時操作系統提供時鐘源。天線部分需要特別注意使用不同的濾波器時，在濾波器和天線之間的電容電感接法不同。
 
 
3軟件設計
3.1邏輯時序的設計
　　主控芯片XC3S400的主要功能是控制AD7606芯片的時序,以固定的采樣率獲取熱電偶采集的模擬電號并對其量化處理。采樣時序如圖5所示，CONVSTA和CONVSTB短接在一-起即圖中的ad__con-vstab,所有通道同時采樣。ad__busy在ad_convstab到達上升沿之后變為邏輯高電平,轉換過程開始,直到ad_busy下降沿表示轉換數據被存到輸出數據寄存器可供讀取。first_data在ad__cs下降沿脫離三態,與通道對應的ad_rd下降沿將first__data置為高電平,表示輸出數據總線可以提供該通道的轉換結果。
 
3.2無線通信的實現
　　在數據接收設計中,采用中斷的方式保證CC3200能夠及時響應UART傳來的數據,當UART接口收到數據,程序立刻進人中斷將接收到的數據緩存并打包等待無線發送。發送命令的設計是將中斷函數緩存的數據以TCP方式轉發,同時要配合上位機的指令控制流程圖如圖6所示。
 
4實驗結果分析
　　針對本文的設計,在高低溫箱中分別測試使用補償導線和無線通信得到的數據,對比分析兩種傳輸方式的信號穩定性。由于高低溫箱中的實際溫度實時變化,故采用標準鉑電阻Pt100標定高低溫箱中的實際溫度。無線通信的實驗結果如表1所示,每隔10℃左右測一次信號,測量的電壓信號先經過AD8495放大122.4倍,再由二級放大電路放大4倍得到，最后要在上位機軟件處理將數據還原為溫度格式。
 
　　圖7(a).(b)分別是采用補償導線和無線在距離20m時測量的數據圖,圖中的趨勢線是按設計原理根據理論電壓和溫度關系繪制的。可以看出圖7(a)由于補償導線過長引起信號衰減和干擾現象,測量數據較理論值有所下降,波動較大,超出允許誤差范圍。圖7(b)通過無線測量的數據和理論值高度契合,結果在允許誤差范圍內。
 
5結論
　　本文設計的無線通信方式測量熱電偶傳感器的溫度有效地解決了補償導線過長引起的信號衰減、傳輸過程中強電干擾耦合、布線復雜等問題，使得檢測操作更加方便靈活。從實驗數據可知,該方法提高了測量結果的可靠性和精度。