0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的參數(shù)之一，因此溫度測量設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域不可或缺。熱電偶是工業(yè)場合中應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器,它的主要特點是測溫范圍寬,價格低，同時結(jié)構(gòu)簡單,堅固耐用。

筆者采用高集成度、高精度ADC芯片ADS1248芯片，設(shè)計了一種熱電偶溫度測量模塊。本文詳細闡述了該溫度測量模塊的設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計及原理

1.1硬件框圖

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。圖中MCU為主芯片；ADS1248為采樣芯片，1片ADS1248可采樣4路熱電偶信號；在MCU與ADS1248之間的通信信號采用了磁耦芯片ADuM1401進行隔離；TMP275為測溫芯片，測量環(huán)境溫度，提供熱電偶冷端補償溫度；外接24VDC電源通過隔離DC-DC模塊轉(zhuǎn)換成5V，為采樣電路供電。在每路輸入設(shè)計了濾波器，以衰減熱電偶上的噪聲。主芯片與采樣芯片間通過串口進行通信，MCU與ADS1248通過SPI口進行數(shù)據(jù)交換，MCU與TMP275通過I2C口進行數(shù)據(jù)交換。

此模塊為可編程控制器的擴展模塊，因此具有擴展總線。通過擴展總線，該模塊與可編程控制器主機進行數(shù)據(jù)交換。

1.2 ADS1248特性及應(yīng)用

TI 公司的ADS1248是高度集成的24位精密ADC芯片,它集成了低噪音可編程增益放大器(PGA)、單周期設(shè)定數(shù)字濾波器的精密Delta-Sigma ADC、振蕩器、輸入切換器（Input Mux）,可采樣4 組差分或7組單端輸入。該芯片還具有50/60 Hz同步抑制模式；傳感器斷線檢測功能。設(shè)計中選用該芯片可在不影響性能的情況下減少器件數(shù)量，簡化設(shè)計。

1.3抗干擾設(shè)計

熱電偶信號為差分小信號。根據(jù)K型熱電偶分度表計算得出，在-100oC～1200oC溫度范圍內(nèi)，該類型熱電偶輸出電壓信號幅度在50mV之內(nèi)。實際應(yīng)用中，熱電偶配線較長。因此，熱電偶采樣電路易受工頻干擾和射頻干擾的影響。為實現(xiàn)精確測量，模塊中必須加入抗干擾措施。

工頻干擾（50Hz及60Hz電磁波）是工控測量系統(tǒng)中最常見的一種干擾噪聲，對測量精度影響很大。本設(shè)計，利用ADS1248集成的數(shù)字濾波器（Programmable Digital Filter）對此類干擾進行抑制。圖2框圖中，數(shù)字濾波器放置于模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，其作用是對采樣值進行數(shù)字濾波處理，從而達到濾除干擾噪聲的目的。

ADS1248中數(shù)字濾波器的濾波特性與采樣速率有關(guān)。綜合衡量多方面因素后，本設(shè)計選取20SPS(每秒20次)的采樣速率，此時數(shù)字濾波特性如圖3所示。通過該濾波器，50Hz及60Hz工頻干擾噪聲均被衰減70dB以上。

除工頻干擾外，射頻干擾也不可忽略。為抑制射頻干擾，設(shè)計中在熱電偶與采樣芯片之間加入了RC低通濾波器，如圖4所示。圖4中虛線框內(nèi)為RC低通濾波器，該電路對熱電偶上耦合的射頻干擾起到衰減作用。為達到良好效果，C1a和C1b容值相同，R1a和R1b阻值相同，且C2≥10C1。

圖4中RC低通濾波器對差模和共模射頻干擾信號均具有衰減作用，因此該濾波器具有兩種不同的帶寬：差模帶寬和共模帶寬。假設(shè)C1a和C1b的容值為C1，R1a和R1b阻值為R1，兩種帶寬計算公式見公式（1）和公式（2）。

設(shè)定濾波器RC參數(shù)時，首先確定R1的值，然后根據(jù)帶寬需求依據(jù)公式（1）和公式（2）計算電容值。本設(shè)計中取R1為47

，C1為47pF，C2為0.1uF。 除以上抗干擾措施外，實踐證明，將模擬地通過端子連接到大地也可提高采樣值的精度及穩(wěn)定性。

1.4 冷端補償設(shè)計及原理

利用熱電偶測量溫度時必須進行冷端補償。冷端補償?shù)姆椒ㄓ卸喾N，傳統(tǒng)方法為熱電阻溫度補償法，本設(shè)計利用溫度傳感器芯片TMP275進行冷端補償，有效地降低的用戶的使用成本，簡化了配線。

TMP275是TI公司的一款低功耗數(shù)字輸出溫度傳感器。在+10 oC至+85 oC范圍內(nèi)的精確度為±0.5 oC (最大值)、9至12位可編程分辨率、其雙線串行接口可與I2C相兼容。

MCU與TMP275通過I2C相連，兩者之間不進行電氣隔離。設(shè)計中設(shè)置TMP275為12位分辨率，以提高精度。為降低功耗，采用關(guān)閉模式，當需要通過TMP275采樣溫度時，首先向其發(fā)送一個啟動命令，采樣完成后采樣值存入數(shù)據(jù)寄存器，TMP275自動關(guān)閉，直至下一個啟動采樣命令到來。TMP275自動關(guān)閉后并不影響串行通信功能。

圖5為冷端補償原理流程圖。該流程圖說明了通過熱電偶信號的采樣值和冷端溫度值計算出熱電偶的另一端溫度值的過程。

如圖5所示，首先通過熱電偶采樣值計算出熱電偶輸出電壓值，同時將由TMP275得到的冷端溫度值通過查找分度表轉(zhuǎn)換成電壓值，然后將以上兩個電壓值相加，最后將相加后得到電壓值通過分度表轉(zhuǎn)換成溫度值（攝氏度），該溫度值便是被測溫度值。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件流程圖

圖6為系統(tǒng)軟件主流程圖。系統(tǒng)上電后，首先進行初始化工作，然后進入主循環(huán)。在主循環(huán)中首先取擴展總線上寫入的配置信息（通道開啟、溫度制式、斷線默認值等配置信息）并做設(shè)置，當配置信息與前次不相同時，才進行配置操作。

主循環(huán)中第二個操作是采樣TMP275得到冷端溫度值。通過斷線檢測步驟，被開啟但出現(xiàn)斷線故障的通道號被標記。接下來是采集熱電偶通道，程序只對開啟且沒有斷線故障的通道進行采樣。對所有正常通道采集完成后，便依據(jù)采樣值、斷線狀態(tài)和通道配置計算出各通道的溫度值，沒有開啟的通道溫度值為0。得到所有通到溫度值后，便把這些溫度數(shù)據(jù)寫到相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域，等待可編程控制器主機讀取。

在計算溫度值的過程中，需用到K型熱電偶（鎳鉻-鎳硅熱電偶）分度表（GB/T 16839.1-1997）。該分度為熱電偶輸出電壓與熱電偶兩端溫度差值之間的對應(yīng)關(guān)系表，通過查找該表可以實現(xiàn)電壓與溫度的相互轉(zhuǎn)換。該表存放于內(nèi)存區(qū)中，溫度步長為10，溫度范圍為-270oC～1300oC。在電壓值與溫度值相互轉(zhuǎn)換過程中，利用線性插值算法逼近熱電偶特性曲線，以減小誤差。

3測試結(jié)果

文中溫度測量模塊使用環(huán)境為0℃～+55℃。用熱電偶檢驗儀（VICTOR 14+）模擬K型熱電偶輸入信號，將溫度測量模塊置于恒溫箱中，在不同溫度條件下對溫度測量模塊進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

4結(jié)束語

本設(shè)計充分利用高集成度、高精度ADC芯片ADS1248和溫度傳感器芯片TMP275的特點，簡化設(shè)計，降低成本，同時進行了有效的抗干擾設(shè)計。該溫度測量模塊可采樣8路K型熱電偶信號，測量溫度范圍為-100oC～1200oC，精度為±0.5%滿量程加1oC，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價值。