CN104913857A - 多路k型热电偶信号采集方法 - Google Patents

Abstract

一种多路K型热电偶信号采集方法，包含八个部分：热电偶信号转换电路、电压参考电路、32路模拟复用电路、低通差分信号转换电路、ADC转换电路、微处理器电路、电源电路和RS485电路；以STM32F407系列ARM微处理器为主，完成32路模拟数据选通复用、AD模拟信号采集、软件滤波算法处理、AD数据组帧、RS485总线通信等功能。热电偶信号转换电路将热电偶输出电压信号转换为5mV/℃的形式输出。该方法采用32路模拟选通复用器依次对热电偶选通，然后进行温度数据采集。采用RS485总线方式进行数据传输，既可满足远距离传输要求，又可满足多个采集节点在同一个系统中运行的要求。采用16位差分ADC的采集方式，既可满足精度要求，又降低噪声干扰，使该方法具有良好的环境适应性。

Description

多路K型热电偶信号采集方法

技术领域

热电偶在石油、化工、钢铁、有色金属、航天等领域的测量和控制具有广泛的应用潜力，是现代大型工业设备的重要组成部分。本发明涉及一种多路K型热电偶信号采集方法，用于采集多路K型热电偶输出的微弱电压信号。该方法由STM32F407微处理器进行数据采集，通过RS485方式进行远距离传输。

背景技术

热电偶是两种不同成分的材质导体组成闭合回路，当结合点两端温度不同，在回路中将产生热电势，也叫赛贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端(也称为测量端)，温度较低的一端为自由端(也称为补偿端)，自由端常处于某个恒定温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。典型热电偶信号采集方式是：将热电偶信号通过多级放大电路后再进行模数转换。这类方式具有抗干扰能力差，线性度差，需要软件修正的缺点。而对于K型热电偶，其输出电压幅度变化范围非常小，在25℃环境温度下，K型热电偶电压变化和温度升高关系为41uV/℃。对于常规ADC来说，其转换范围通常在0～ref(ref＝1.2～5V)内。在此情况下，需要采用硬件电路调整热电偶输出电压幅度，使热电偶输出温度变化曲线在AD识别范围内。在多级调幅电路作用下，电压放大倍数精确度难以保证，并且多级放大电路本身线性度也会带来额外误差。

发明内容

为了对K型热电偶输出电压值进行可靠测量，本发明提供了一种多路K型热电偶信号采集方法。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多路K型热电偶信号采集方法，包含八个部分：热电偶信号转换电路、电压参考电路、32路模拟复用电路、低通差分信号转换电路、ADC转换电路、微处理器电路，电源电路和RS485通信电路；微处理器电路以STM32F407系列ARM微处理器为主，完成32路模拟信号选通复用、AD数据采集、软件滤波算法处理、RS485通信等功能。

热电偶信号转换电路直接将热电偶输出uV级微弱电压信号进行转换，在转换过程中进行冷端补偿，使转换后的输出电压满足5mV/℃要求。转换电路输出电压直接通过32路模拟复用器，模拟复用器以轨到轨的方式输入与输出，保证小信号不失真。首先STM32F407微处理器控制复用器选择32路中的其中一路进行低通滤波，差分信号转换和AD采样。其次STM32F407微处理器将采样到的数据进行软件滤波处理，滤除掉电路本身和外界干扰，提高温度数据信噪比。最后STM32F407微处理器将滤波后的温度数据进行组帧，通过RS485总线方式上传给上位机。上位机软件进行帧解析后，按照不同的采集通道将温度信息进行曲线绘制。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明热电偶信号转换电路图；

图3为本发明模拟选通器原理示意图；

图4为本发明低通滤波器电路原理图；

图5为本发明模拟信号单端转差分电路图；

图6为本发明AD采集电路原理示意图；

图7为本发明微处理器运行流程图。

具体实施方式

附图中，相同部分在不同的视图中采用相同的标号表示，并且所描述的各种元件不必按照比例绘制，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1描述一种多路K型热电偶信号采集方法，包含热电偶信号转换电路、电压参考电路、32路复用电路、低通差分信号转换电路、ADC转换电路、微处理器电路，电源电路和RS485通信电路；微处理器电路以STM32F407系列ARM微处理器为主，完成数据选通，AD数据采集，软件滤波算法处理，RS485通信等功能。电源电路输入电压范围在7～15V。通过LT1083-5线性电源降压到5.0V，分别提供给热电偶转换电路，模拟复用电路，低通滤波电路，电压参考电路，差分电路以及下一级电源电路。通过LT1084-3.3线性电源将5.0V电压降压到3.3V，分别提供给ADC转换电路、微处理器电路和RS485总线电路。32路热电偶信号首先被AD8495进行转换，再通过模拟复用电路，选择其中一路进行AD采样，微处理器进行滤波后上传上位机并显示。

图2是AD8495转换电路结构，该电路主要由两个部分构成，第一部分是热电偶输出信号线性变换电路，将热电偶输出电压信号直接通过冷端补偿输出，输出电压满足5mV/℃。第二部分由REF3112和OPA350组成的参考电压电路，通过参考电压，校准AD8495转换0℃时输出电压值。在AD8495信号输入端，由电阻R3和R4，电容C2，C3和C4构成低通滤波器，他们的阻值分别为100Ω，100Ω，0.01uF，0.01uF和1uF，。电阻R2作用是在热电偶没有接入时，AD8495输出电压为电源电压。目的是检测线缆是否连接完好。为了不影响采集电路精度，电阻R2阻值为1MΩ。根据AD8495官方提供的参考手册，AD8495最终输出电压v满足关系式：v＝(T_MJ×5mV/℃)+V_REF。为提高采集电路的适应性，设置参考电压V_REF＝1250mV。通过参考电压，当AD8495采集到热电偶温度为0℃时，AD8495输出端电压为1250mV。通过所设置的参考电压，AD8495能够分辨零下温度。在该方法中，包含32路AD8495转换电路，为了提高参考电压的输入阻抗和降低电源噪声，在每一路AD8495参考电压输入引脚设置由OPA350构成的电压跟随电路。OPA350输入端设置有RC低通滤波器，以滤除电源中的高频干扰。通过跟随电路可保证参考电压精度，降低上位机计算误差。

图3是32路模拟复用器原理图。通过4位二进制控制位，分别从通道CH1至CH32选通到OUT引脚。模拟选通器的特点是输入信号与输出信号的幅度和相位相同。模拟选通器供电电压为5.0V，并且模拟选通器以轨到轨的方式进行输入输出，输入信号在50mV～4900mV范围内均能保证不失真输出。

图4是模拟选通器输出端低通滤波电路图。该滤波电路的目的是实现高精度AD采集，低输出阻抗，高输入阻抗。电阻R1和电容C1组成RC低通滤波器，其阻值分别是100Ω和100uF，其目的是滤除输入前端噪声。电阻R2和电容C3组成的RC低通滤波器主要滤除由运放OPA350产生的高频噪声，其阻值分别是20Ω和10nF。

图5是低通单端转差分电路图。单端转差分电路主要器件由HS4521运放构成。电阻R1，R2，R3和R4阻值为1kΩ，保证输入信号与输出信号电压增益为1。VOCM为公共引脚，也是THS4521运放电压参考引脚。在该引脚输入电压为2.5V。2.5V参考电压是通过串联参考电压源ADR441降压得到，通过一个RC低通滤波器后直接输入THS4521运放。AINP和AINN分别为THS4521运放正级输出和负极输出。正负极标准是按照VOCM输入电压而定，正极输出减去负极输出差值等于THS4521运放输入电压值。采用差分的方式可减少电路中共模干扰。电阻R5，R6(49.9Ω，49.9Ω)和电容C1，C2(5.6nF，5.6nF)在THS4521运放外围组成两组低通滤波器，分别滤除正极输出和负极输出噪声。

图6为AD采集电路图，AD采集电路主要由ADS8235构成。ADS8235是16位ADC，转换速度高达100KHz的逐次逼近寄存器型ADC转换器。ADS8235为差分输入型ADC，可有效抑制共模噪声干扰。电容C1(1uF)的作用是滤除差分电路中共模噪声，减轻ADS8235内部减法器负担，电容C2(0.01uF)和C3(0.01uF)分别滤波差分电路上差模噪声，提高AD采样精度。ADS8235输入参考电压为2.5V，ADC采样区间为0～2.5V。2.5V参考电压由串联参考电源ADR441降压得到，通过一路RC无源低通滤波器后直接输入ADS8235。ADS8235数据读取方式是SPI，利用STM32F407微处理器片上外部3根普通引脚读取数据。

图7是STM32F407微处理器工作流程图，它主要包含读取ADC数据、软件滤波和RS485总线传输。STM32F407微处理器上电后，首先初始化其内部各个寄存器和变量，再启动内部定时器。当STM32F407微处理器初始化内部定时器后便等待上位机命令。该命令是启动采集电路进行AD数据采集，软件滤波和总线传输。当STM32F407微处理器收到命令时，首先控制模拟选通器32个通道依次选通，使其外部32路热电偶按照一定顺序进行AD采集。STM32F407微处理器将采集到的AD数据存入堆栈，堆栈长度为8，不同热电偶温度数据分别存入不同的堆栈中。当堆栈更新完毕后，STM32F407微处理器将堆栈数据进行累加求均值得到滤波后的温度数据。得到温度数据后，STM32F407微处理器将数据进行组帧传输。具体的帧格式为：帧头字节，命令位，帧长度，节点号，通道号，数据位1，数据位2，校验位和帧尾字节。帧头字节表示数据帧起始。命令位表示这一帧是命令还是数据。帧长度表示这一帧从帧头字节到帧尾字节具体包含字节数。节点号表示数据来自RS495总线上的某一具体采集节点。通道号表示在一个节点上某一特定的热电偶。2个数据位表示16位AD数据，数据位1为高八位，数据位2为低八位。校验位表示通过传输后该帧是否校验成功。帧尾字节表示该帧结束。STM32F407微处理器将AD数据进行组帧后，监测RS485总线是否空闲。如果总线空闲，则STM32F407微处理器将该帧数据进行传输。单次AD采集上传完毕，进入下一个热电偶数据采集并进行相应的处理。

Claims (9)

1.一种多路K型热电偶信号采集方法，其特征在于包含八个部分：热电偶信号转换电路、电压参考电路、32路模拟复用电路、低通差分信号转换电路、ADC转换电路、微处理器电路，电源电路和RS485通信电路；微处理器电路以STM32F407系列ARM微处理器为主，完成32路模拟信号选通复用、AD数据采集、软件滤波、RS485通信等功能；K型热电偶输出的微弱电压信号通过热电偶转换电路，将输入非线性电压经转换后输出线性电压，并且电压刻度为5mV/℃；转换后的电压信号通过32路模拟复用器后再经过有源低通滤波器，滤波器输出电压信号通过差分电路将单端电压信号转换为差分电压信号，再通过另一路滤波电路后送入AD采样芯片；STM32F407首先控制32路模拟复用电路，有序的选择外部32路热电偶依次进行ADC采样，当32路模拟复用电路选通后，STM32F407微处理器通过SPI协议读取AD内部数据从而得到转换后的数字量，进行软件滤波，组帧等操作后通过RS485总线上传上位机。

2.根据权利要求1所述，多路K型热电偶信号采集方法；其特征在于包含电源电路，主要IC包含LT1083-5和LT1084-3.3，外部电压输入范围是7～15V；LT1083-5将外部电源降压至5.0V，为整个采集电路提供电能；LT1084-3.3将5.0V电压降压至3.3V，为微处理器、RS485等电路提供电能；另外在外部电源输入端设置有LC电源滤波电路，降低外部电源干扰。

3.根据权利要求1所述，多路K型热电偶信号采集方法；其特征在于包含热电偶信号转换电路，主要IC是AD8495；该转换电路将热电偶输出微伏级非线性电压信号转换为5Mv/℃线性电压信号；热电偶信号转换电路参考电压为1250mV，当热电偶温度为0度时，热电偶转换电路输出电压为1250mV；通过参考电压可测量零下环境温度。

4.根据权利要求1所述，多路K型热电偶信号采集方法；其特征在于一路输出1250mV线性参考电压源和32路运放构成的有源滤波器；参考电压源主要由REF3112构成，将5.0V电压通过降压后输出1250mV电压，作为热电偶转换电路0℃时基准参考；每一路热电偶信号转换电路对应一路有源滤波器，目的是提高参考电压输入阻抗和降低干扰。

5.根据权利要求1所述，多路K型热电偶信号采集方法；其特征在于32路模拟复用电路；32路模拟复用电路主要功能是通过微处理器控制，将32路热电偶输出电压信号依次选通复用给AD采样。

6.根据权利要求1所述，多路K型热电偶信号采集方法；其特征在于所述差分信号转换电路；为了避免采集到数字信号误差较大，差分信号转换电路将复用器输出的单端信号通过低通滤波后转换为差分信号；差分信号转换电路正输出端和负输出端均设计有相同带宽的低通滤波器。

7.根据权利要求1所述，多路K型热电偶信号采集方法；其特征在于所述ADC转换电路，其主要由ADS8325构成；ADS8325是16位差分ADC，转换速度高达100KHz。

8.根据权利要求1所述，多路K型热电偶信号采集方法；特征在于所述软件滤波；由于存在外界干扰，STM32F407微处理将对采集到的数字信号进行滤波处理；滤波处理方式为递推平均滤波，滤波堆栈长度为8。

9.根据权利要求1所述，多路K型热电偶信号采集方法；特征在于所述RS485通信；STM32F407微处理器通过RS485总线方式与上位机进行数据交互和命令传输；每一次采集到的数据都将以数据帧的形式进行传输，另外该方法支持多块采集节点以RS485总线挂接的方式进行通信，不同采集节点之间以节点号进行区分。