CN103295710A - 热敏电阻模拟模块及对该模块的电阻输出校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热敏电阻模拟模块及对该模块的电阻输出校准方法。热敏电阻模拟模块的PXI接口电路将接收到的指令发送至FPGA主控单元电路，该电路对接收到指令进行解析，并将解析后控制信号发送至数字电位计组，数字电位计组的多组电阻输出端连接连接器的多组电阻输入端，多组电阻输出端中每组电阻输出端有两个输出端。校准方法为：上位机发送命令，通过万用表板卡PXI-4070和多路复用开关板卡PXIe-2527对每路数字电位计进行实测，通过对实测数据进行数学分析，通过最小二乘法进行曲线拟合，建立一个针对每一个通道码值和电阻值对应的表格，该表格作为校准表格。本发明用于生产测试中。

Description

热敏电阻模拟模块及对该模块的电阻输出校准方法
技术领域
本发明涉及热敏电阻，涉及热敏电阻模拟模块及对该模块的电阻输出校准方法。
背景技术
热敏电阻是敏感元件的一类，它的典型特点是对温度敏感，在不同的温度下表现出不同的电阻值，分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。基于PXI总线的热敏电阻模拟模块可集成于PXI架构系统中，通过PXI总线进行通信，实现对30路热敏电阻在不同温度时阻值的模拟。
目前，工业领域所使用的压力传感器、温度传感器等多采用电阻式传感器，传感器的阻值随着压力、温度的变化而变化。而与这些传感器相连的控制器或指示器在研发调试或生产测试过程中采用阻值和档位固定的标准电阻来模拟这些传感器。这样，在需要更换一种型号的传感器时必须更换一组标准电阻，因而可操作性差，费工费时。而在某些生产测试中需要同时提供多组不同阻值的电阻，且需要重复提供使用，这就需要人工不停的调节阻值或不停的切换连线，工作强度大且容易出错。尽管后来采用通用性稍强的旋转电阻箱的方法，但一台仪表有几个调校点就必须配置几个旋转电阻箱，体积大，费用高，通道少，使用不便。现在也有很多公司生产各种程控电阻，大多采用微控制器控制继电器切换标准电阻来实现，精度和调整范围能做得很好，但每路占用电路板面积大，一般一块板上只能有两三个通道，通道数少，难于集成。
发明内容
本发明为了解决现有的热敏电阻在工业领域应用存在工作强度大且容易出错、费用高、通道少，使用不便、体积大的问题从而提出了热敏电阻模拟模块及对该模块的电阻输出校准方法。
热敏电阻模拟模块包括PXI接口电路、FPGA主控单元电路、数字电位计组和连接器，
所述的PXI接口电路将接收到的指令发送至FPGA主控单元电路，FPGA主控单元电路对接收到的指令进行解析，并将解析后的控制信号发送至数字电位计组，数字电位计组的多组电阻输出端连接连接器的多组电阻输入端，所述多组电阻输出端中的每组电阻输出端有两个输出端。
所述的数字电位计组包括多路数字电位计和两个电阻RP1、RP2，每路数字电位计均通过I2C总线与FPGA主控单元电路连接，所述I2C总线包括串行数据线和串行时钟线，电阻RP1的一端连接串行数据线，电阻RP1的另一端接+5V电源，电阻RP2的一端连接串行时钟线，电阻RP2的另一端接+5V电源；每路数字电位计有两个电阻输出端，每路数字电位计由一个100kΩ数字电位计和一个1kΩ数字电位计组成，
每路数字电位计的结构相同，其中一路数字电位计的结构为：
100kΩ数字电位计的一个电阻端与连接器的一组电阻输入端中的一端连接，所述连接器的该组电阻输入端中的另一端与1kΩ数字电位计的电阻可调端连接；
100kΩ数字电位计的电阻可调端与1kΩ数字电位计的一个电阻端连接。
所述的多路数字电位计为30路。
所述的100kΩ数字电位计采用AD5272芯片，该芯片有1024个抽头，为单通道。
所述的1kΩ数字电位计采用AD5252芯片，该芯片有256个抽头，为双通道。
所述的FPGA主控单元电路内嵌入有控制程序，该程序对接收到的指令进行解析，并将解析后的控制信号发送至数字电位计组为：该程序采用状态机的方式实现，包括：空闲状态、通道选择状态、控制AD5272芯片状态和控制AD5252芯片状态，
空闲状态，当接收到上位机启动信号时，跳转到通道选择状态；
通道选择状态，接收上位机传来的控制的数据，并选定所要输出的通道，准备对所选通道进行电阻输出控制，当I2C总线启动时，跳转到控制AD5272芯片状态；
控制AD5272芯片状态，对所选通道对应的AD5272芯片进行写操作，写入上位机传来的该芯片对应的抽头数，使AD5272芯片输出相应电阻值，然后，跳转到控制AD5252芯片状态；
控制AD5252芯片状态，对所选通道对应的AD5252芯片进行写操作，写入上位机传来的该芯片对应的抽头数，使AD5252芯片输出相应电阻值，然后，跳转到空闲状态。
对热敏电阻模拟模块的电阻输出校准方法，该方法是基于万用表板卡PXI-4070和多路复用开关板卡PXIe-2527对每路数字电位计进行实测实现的，上位机通过PXI总线同时与热敏电阻模拟模块的数据端、万用表板卡PXI-4070的数据端和多路复用开关板卡PXIe-2527的数据端连接，热敏电阻模拟模块的电阻输出端与多路复用开关板卡PXIe-2527的电阻输入端连接，多路复用开关板卡PXIe-2527的通道电阻输出端与万用表板卡PXI-4070的电阻输入端连接，其特征在于：它包括下述步骤：
步骤一、上位机发送命令，通过万用表板卡PXI-4070和多路复用开关板卡PXIe-2527对每路数字电位计进行实测，对每路数字电位计实测256个点，每个点测5次，100kΩ数字电位计的步进为385Ω至395Ω之间，1kΩ数字电位计的步进为3.5Ω至4.5Ω之间，执行步骤二；
步骤二、上位机通过对实测的数据进行数学分析，通过最小二乘法进行曲线拟合，建立一个针对每一个通道的码值和电阻值对应的表格，该表格作为校准表格。
本发明所述的热敏电阻模拟模块将多路数字电位计集成到一个电路中具有体积小，通道多，通用性好，使用方便灵活等优势。通过采用热敏电阻输出校准的方法，可大大提高30热敏电阻模拟输出的精度，满足精度要求。
附图说明
图1为本法发明所述的热敏电阻模拟模块的电气结构示意图；
图2为本发明所述的数字电位计组3的电路图；
图3为FPGA主控单元电路2的状态转换图，
图4为对热敏电阻模拟模块的电阻输出校准的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的热敏电阻模拟模块，它包括PXI接口电路1、FPGA主控单元电路2、数字电位计组3和连接器4，
所述的PXI接口电路1将接收到的指令发送至FPGA主控单元电路2，FPGA主控单元电路2对接收到的指令进行解析，并将解析后的控制信号发送至数字电位计组3，数字电位计组3的多组电阻输出端连接连接器4的多组电阻输入端，所述多组电阻输出端中的每组电阻输出端有两个输出端。
具体实施方式二、结合图2具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的热敏电阻模拟模块的区别在于，所述的数字电位计组3包括多路数字电位计3-1和两个电阻RP1、RP2，每路数字电位计3-1均通过I2C总线与FPGA主控单元电路2连接，所述I2C总线包括串行数据线和串行时钟线，电阻RP1的一端连接串行数据线，电阻RP1的另一端接+5V电源，电阻RP2的一端连接串行时钟线，电阻RP2的另一端接+5V电源；每路数字电位计3-1有两个电阻输出端，每路数字电位计3-1由一个100kΩ数字电位计和一个1kΩ数字电位计组成，
每路数字电位计3-1的结构相同，其中一路数字电位计3-1的结构为：
100kΩ数字电位计的一个电阻端与连接器4的一组电阻输入端中的一端连接，所述连接器4的该组电阻输入端中的另一端与1kΩ数字电位计的电阻可调端连接；
100kΩ数字电位计的电阻可调端与1kΩ数字电位计的一个电阻端连接。
本实施方式中通过热敏电阻模拟集成于一块PXI板卡中，采用FPGA主控单元电路2控制多路数字电位计3-1的方案，数字电位计3-1具有体积小、控制方便和易于集成等优点，为了使模块既能满足阻值动态范围大的要求又能满足步进小要求，在电路中，采用1kΩ数字电位计和100kΩ数字电位计串联的方式。用两片数字电位计即能实现调整范围为500Ω～100kΩ，步进为5Ω的精密热敏电阻模拟，占用电路板面积小，可以集成多个通道，是实现多路热敏电阻模拟模块。
本实施方式所述的I2C总线由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点，使通道更易于集成。
具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式二所述的热敏电阻模拟模块的区别在于，所述的多路数字电位计3-1为30路。
具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式三所述的热敏电阻模拟模块的区别在于，所述的100kΩ数字电位计采用AD5272芯片，该芯片有1024个抽头，为单通道。
具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式三所述的热敏电阻模拟模块的区别在于，所述的1kΩ数字电位计采用AD5252芯片，该芯片有256个抽头，为双通道。
具体实施方式六、结合图3具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、四或五所述的热敏电阻模拟模块的区别在于，所述的FPGA主控单元电路2内嵌入有控制程序，该程序对接收到的指令进行解析，并将解析后的控制信号发送至数字电位计组3为：该程序采用状态机的方式实现，包括：空闲状态、通道选择状态、控制AD5272芯片状态和控制AD5252芯片状态，
空闲状态，当接收到上位机启动信号时，跳转到通道选择状态；
通道选择状态，接收上位机传来的控制的数据，并选定所要输出的通道，准备对所选通道进行电阻输出控制，当I2C总线启动时，跳转到控制AD5272芯片状态；
控制AD5272芯片状态，对所选通道对应的AD5272芯片进行写操作，写入上位机传来的该芯片对应的抽头数，使AD5272芯片输出相应电阻值，然后，跳转到控制AD5252芯片状态；
控制AD5252芯片状态，对所选通道对应的AD5252芯片进行写操作，写入上位机传来的该芯片对应的抽头数，使AD5252芯片输出相应电阻值，然后，跳转到空闲状态。
具体实施方式七、结合图4具体说明本实施方式，基于本实施方式与具体实施方式二所述的热敏电阻模拟模块的电阻输出校准方法的区别在于，该方法是基于万用表板卡PXI-4070和多路复用开关板卡PXIe-2527对每路数字电位计3-1进行实测实现的，上位机通过PXI总线同时与热敏电阻模拟模块的数据端、万用表板卡PXI-4070的数据端和多路复用开关板卡PXIe-2527的数据端连接，热敏电阻模拟模块的电阻输出端与多路复用开关板卡PXIe-2527的电阻输入端连接，多路复用开关板卡PXIe-2527的通道电阻输出端与万用表板卡PXI-4070的电阻输入端连接，其特征在于：它包括下述步骤：
步骤一、上位机发送命令，通过万用表板卡PXI-4070和多路复用开关板卡PXIe-2527对每路数字电位计3-1进行实测，对每路数字电位计3-1实测256个点，每个点测5次，100kΩ数字电位计的步进为385Ω至395Ω之间，1kΩ数字电位计的步进为3.5Ω至4.5Ω之间，执行步骤二；
步骤二、上位机通过对实测的数据进行数学分析，通过最小二乘法进行曲线拟合，建立一个针对每一个通道的码值和电阻值对应的表格，该表格作为校准表格；
在使用时，根据所需电阻值，根据步骤二获得的表格进行查表得到所需要的码值，输出对应电阻。
通过对热敏电阻模拟电路进行分析，由于100kΩ数字电位计和1kΩ数字电位计均有容差，并且均伴有不同程度的温度系数，而且数字电位器的特性并不是严格的线性，这些因素都会引入误差，因此在使用前，需要对每一路模拟电阻输出进行校准，使最终输出的电阻值达到较高精度。本实施方式所述热敏电阻模拟模块实现的对该热敏电阻输出校准的方法调节两个数字电位计时，对于小于390Ω的电阻部分，通过1kΩ数字电位计来调节，使1kΩ数字电位计始终保持在输出电阻较大的范围，这样1kΩ数字电位计的线性度较好，且触点电阻和容差对总电阻的影响较小，当输出阻值越大，相对误差将越小。通过使用上述电阻输出校准方法，可大大提高30路热敏电阻模拟输出的精度，满足精度要求。
本发明的优点有：
1、在一块PXI板卡中集成了30个通道的程控电阻，可模拟30个热敏电阻的电阻输出，集成度高。
2、模拟的输出电阻整范围为500Ω～100kΩ，步进为5Ω，模拟范围大，步进小，精度高。
3、热敏电阻模拟模块，可方便集成应用于PXI架构的系统中，使用方便快捷。

Claims (7)

1.热敏电阻模拟模块，其特征在于：它包括PXI接口电路（1）、FPGA主控单元电路（2）、数字电位计组（3）和连接器（4），
所述的PXI接口电路（1）将接收到的指令发送至FPGA主控单元电路（2），FPGA主控单元电路（2）对接收到的指令进行解析，并将解析后的控制信号发送至数字电位计组（3），数字电位计组（3）的多组电阻输出端连接连接器（4）的多组电阻输入端，所述多组电阻输出端中的每组电阻输出端有两个输出端。
2.根据权利要求1所述的热敏电阻模拟模块，其特征在于：所述的数字电位计组（3）包括多路数字电位计（3-1）和两个电阻RP1、RP2，每路数字电位计（3-1）均通过I2C总线与FPGA主控单元电路（2）连接，所述I2C总线包括串行数据线和串行时钟线，电阻RP1的一端连接串行数据线，电阻RP1的另一端接+5V电源，电阻RP2的一端连接串行时钟线，电阻RP2的另一端接+5V电源；每路数字电位计（3-1）有两个电阻输出端，每路数字电位计（3-1）由一个100kΩ数字电位计和一个1kΩ数字电位计组成，
每路数字电位计（3-1）的结构相同，其中一路数字电位计（3-1）的结构为：
100kΩ数字电位计的一个电阻端与连接器（4）的一组电阻输入端中的一端连接，所述连接器（4）的该组电阻输入端中的另一端与1kΩ数字电位计的电阻可调端连接；
100kΩ数字电位计的电阻可调端与1kΩ数字电位计的一个电阻端连接。
3.根据权利要求2所述的热敏电阻模拟模块，其特征在于：所述的多路数字电位计（3-1）为30路。
4.根据权利要求3所述的热敏电阻模拟模块，其特征在于：所述的100kΩ数字电位计采用AD5272芯片，该芯片有1024个抽头，为单通道。
5.根据权利要求3所述的热敏电阻模拟模块，其特征在于：所述的1kΩ数字电位计采用AD5252芯片，该芯片有256个抽头，为双通道。
6.根据权利要求1、4或5所述的热敏电阻模拟模块，其特征在于：所述的FPGA主控单元电路（2）内嵌入有控制程序，该程序对接收到的指令进行解析，并将解析后的控制信号发送至数字电位计组（3）为：该程序采用状态机的方式实现，包括：空闲状态、通道选择状态、控制AD5272芯片状态和控制AD5252芯片状态，
空闲状态，当接收到上位机启动信号时，跳转到通道选择状态；
通道选择状态，接收上位机传来的控制的数据，并选定所要输出的通道，准备对所选通道进行电阻输出控制，当I2C总线启动时，跳转到控制AD5272芯片状态；
控制AD5272芯片状态，对所选通道对应的AD5272芯片进行写操作，写入上位机传来的该芯片对应的抽头数，使AD5272芯片输出相应电阻值，然后，跳转到控制AD5252芯片状态；
控制AD5252芯片状态，对所选通道对应的AD5252芯片进行写操作，写入上位机传来的该芯片对应的抽头数，使AD5252芯片输出相应电阻值，然后，跳转到空闲状态。
7.基于权利要求2所述的热敏电阻模拟模块的电阻输出校准方法，该方法是基于万用表板卡PXI-4070和多路复用开关板卡PXIe-2527对每路数字电位计（3-1）进行实测实现的，上位机通过PXI总线同时与热敏电阻模拟模块的数据端、万用表板卡PXI-4070的数据端和多路复用开关板卡PXIe-2527的数据端连接，热敏电阻模拟模块的电阻输出端与多路复用开关板卡PXIe-2527的电阻输入端连接，多路复用开关板卡PXIe-2527的通道电阻输出端与万用表板卡PXI-4070的电阻输入端连接，其特征在于：它包括下述步骤：
步骤一、上位机发送命令，通过万用表板卡PXI-4070和多路复用开关板卡PXIe-2527对每路数字电位计（3-1）进行实测，对每路数字电位计（3-1）实测256个点，每个点测5次，100kΩ数字电位计的步进为385Ω至395Ω之间，1kΩ数字电位计的步进为3.5Ω至4.5Ω之间，执行步骤二；
步骤二、上位机通过对实测的数据进行数学分析，通过最小二乘法进行曲线拟合，建立一个针对每一个通道的码值和电阻值对应的表格，该表格作为校准表格。
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