CN111982329A - 一种热电偶信号处理系统及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热电偶信号处理系统其信号处理方法，包括：用于向系统中各模块供电的电源模块、用于对热电偶的冷端电压进行采样并将得到的冷端采样电压发送给中央处理模块的冷端采样模块、热电偶、用于对热电偶两端电势差进行采集并将采集电势差发送给中央处理模块的热电偶采样模块、用于基于热电偶温度采集原理计算得到待测环境温度的中央处理模块和根据中央处理模块的命令进行通信报文收发的数据收发模块；通过热电偶信号处理系统测量其冷端温度数值，并处理热电偶转换来的电势差，最终得到待测量的热端温度值，实现自主可控的车载温度采集器。

Description

一种热电偶信号处理系统及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及汽车传感器领域，具体涉及一种热电偶信号处理系统及其信号处理方法。

背景技术

汽车用温度传感器，主要用于测量汽车尾气温度、水箱温度、空调温度等领域，车载温度传感器按照其工作原理，主要分为热电偶型、铂电阻型和热敏电阻型三种类型。铂电阻型温度传感器精度高、线性度好，但由于使用贵金属铂，导致其成本过高，且测量温度范围有限；热敏电阻型温度传感器又细分为负温度系数(NTC)、正温度系数(PTC)两种，其测量温度范围可以满足要求且成本不高，但受限于材料技术，其测温精度较差。热电偶型温度传感器具有两个端部，能够将两个端部的温差转换为电势差，若已知其一端的温度，通过电势差可以计算得知另一端温度，其温差对电势差的转换精度可达亚微伏级别，测量精度较高；热电偶型温度传感器已经标准化，原材料多使用廉价合金，取材方便，成本低；若配合信号处理系统使用，则可以实现自动化的温度测试，使用方便。热电偶型温度传感器的测量范围可以根据标准选择不同类型，测量范围能够满足汽车各种不同测温范围的要求，是车载温度传感器的较优选择。

基于热电偶传感器的原理，热电偶传感器测量温度时，只能测量其传感器两端的温度差，若假设一端浸入待测量的温度氛围中(称之为热端)，而另一端接入信号处理系统(称之为冷端)，若需测量得到待测温度具体数值，则必须已知热电偶冷端的温度具体数值。通过热电偶的信号处理系统可以测量其冷端温度数值，并处理热电偶转换来的电势差，最终得到待测量的热端温度值。综上，热电偶型温度传感器需要配合信号处理系统(控制器)使用，车载热电偶型温度传感器特别是其信号处理系统，长期被外国汽车零部件公司垄断，本发明拟提出一种热电偶型温度传感器及其信号处理系统，实现自主可控的车载温度采集器。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种热电偶信号处理系统及其信号处理方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热电偶信号处理系统，包括：

电源模块，用于向系统中各模块供电；

冷端采样模块，用于对热电偶的冷端电压进行采样，并将得到的冷端采样电压发送给中央处理模块；

热电偶，其热端探入待测温度环境中，其冷端与冷端采样模块紧邻布置；

热电偶采样模块，用于对热电偶两端电势差进行采集并将采集电势差发送给中央处理模块；

中央处理模块，用于基于热电偶温度采集原理，根据来自冷端采样模块的冷端采样电压和来自热电偶采样模块的采集电势差，计算得到待测环境温度；

数据收发模块，用于根据中央处理模块的命令，进行通信报文收发。

进一步的，还包括：

电源采样模块，用于对电源模块的供电电压进行采样，采样电压发送给中央处理模块；

所述中央处理模块根据来自电源采样模块的采样电压判断电源模块是否存在故障、根据来自冷端采样模块的冷端采样电压判断冷端采样模块是否存在故障、根据来自热电偶采样模块的采集电势差判断热电偶采样模块是否存在故障以及根据发生的故障采用相应的处理措施。

进一步的，所述冷端采样模块包括串联的标准电阻1和热敏电阻，冷端采样电压U为：U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，其中，R_NTC为热敏电阻阻值，R₁为标准电阻1阻值；

所述中央处理模块根据冷端采样电压U，反算得到热敏电阻阻值R_NTC，并基于热敏电阻的阻值-温度表格，得到当前的冷端温度。

进一步的，所述电热偶包括一个或多个热电偶；当采用多个热电偶时，采用多个完全相同的冷端采样模块对各热电偶的冷端电压进行采样，所有冷端采样模块的冷端采样电压进入中央处理模块；所述中央处理模块采用所有冷端采样电压的平均值作为冷端采样电压，参与待测环境温度的计算。

进一步的，当采用多个热电偶时，在热电偶和热电偶采样模块之间设置热电偶通道切换模块，所述热电偶通道切换模块连接全部热电偶，根据中央处理模块的控制信号决定哪个通道的热电偶信号可以通过，被允许通过的热电偶信号进入热电偶采样模块中，热电偶采样模块将进入的热电偶信号进行采集并发送给中央处理器。

进一步的，所述电源模块包括负责供电的电源和电源转换电路；所述电源转换电路将电源的电压转换为各模块的额定工作电压，恒压输出给中央处理模块、热电偶采样模块、冷端采样模块和数据收发模块。

本发明还公开了一种热电偶信号处理方法，包括以下步骤：

步骤1：获取冷端采样电压U，根据公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，反算得到热敏电阻阻值R_NTC，根据热敏电阻的阻值-温度表格，得到当前热电偶冷端温度；

步骤2：基于步骤1得到的热电偶冷端温度，查阅热电偶的标准温度-电势差表格，得到当热电偶热端温度为t0，冷端温度为0时，其热端与冷端的电势差E(t0，0)的数值；

步骤3：获取当前接入的热电偶两端电势差E(t，t0)，E(t，t0)表示当热电偶热端温度为t，冷端温度为t0时，其热端与冷端的电势差；

步骤4：根据公式E(t，0)＝E(t，t0)+E(t0，0)计算得到当热电偶热端温度为t，冷端温度为0℃时，其热端与冷端产生的电势差；

步骤5：通过查阅热电偶的标准温度-电势差表格，得到当前接入的热电偶的热端温度，即得到待测环境温度。

本发明还公开了一种热电偶信号处理方法，包括以下步骤：

步骤1：上电后，进行热电偶采样模块自检，若存在故障，则中止热电偶信号处理系统运行，记录并处理故障信息；否则，进入步骤2；

步骤2：获取电源采样电压V，根据公式V＝Vs*R₃/(R₃+R₂)计算电源电压Vs，其中，R₂为标准电阻2阻值，R₃为标准电阻3阻值，标准电阻2和标准电阻3串联构成电源采样模块；判断电源电压Vs是否存在异常，若存在异常，则记录并处理故障信息，热电偶信号处理系统功能正常运行，进入步骤3，否则不做任何处理，进入步骤3；

获取冷端采样电压，并判断冷端采样电压是否在正常范围内，若超过该正常范围内，则记录并处理故障信息得到冷端采样电压，进入步骤3，否则不做任何处理，进入步骤3；

步骤3：根据步骤2得到的冷端采样电压和公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，反算得到热敏电阻阻值R_NTC，根据热敏电阻的阻值-温度表格，得到当前热电偶冷端温度，进入步骤4；

步骤4：根据当前的热电偶冷端温度，判断热电偶信号处理系统的工作温度是否超过设定温度上限，若超过，则此时热电偶信号处理系统过温，记录并处理故障信息，热电偶信号处理系统功能正常运转，进入步骤5，否则不做处理，进入步骤5；

步骤5：根据步骤3得到的当前热电偶冷端温度，查阅热电偶的标准温度-电势差表格，得到当热电偶热端温度为t0，冷端温度为0时，其热端与冷端的电势差E(t0，0)；进入步骤6；

步骤6：确定本次循环需要采样的热电偶通道，并获取对应的热电偶采集电势差E(t，t0)，判断E(t，t0)是否超过设定范围，若超出此范围，则认为此时从热电偶到中央处理模块的某处存在故障，记录故障信息并采用最邻近一次正常循环的热端温度值作为最终的待测环境温度，进入步骤2；否则，进入步骤7；

步骤7：根据公式E(t，0)＝E(t，t0)+E(t0，0)，计算得到当热电偶热端温度为t，冷端温度为0℃时，其热端与冷端产生的电势差E(t，0)；进入步骤8；

步骤8：通过查阅热电偶的标准温度-电势差表格，得到当前接入的热电偶的热端温度，即得到待测环境温度；进入步骤2；

若产生故障时，则将产生的故障信息向CAN总线上传送数据，若没有任何故障，则将测得的热端温度、冷端温度按照预设的通信协议发送至总线收发器，由总线收发器将报文发送到CAN总线上。

进一步的，所述热电偶的标准温度-电势差表格为采用将热电偶热端置于不同环境温度下进行实测的测试值对标准的热电偶的标准温度-电势差表格进行调整得到；

所述热敏电阻的阻值-温度表格为采用实测的冷端采样电压与温度的对应关系对标准的热敏电阻的阻值-温度表格进行调整得到。

进一步的，在步骤2中，所述的获取冷端采样电压，并判断冷端采样电压是否在正常范围内，若超过该正常范围内，则记录并处理故障信息，所述处理故障信息包括：

若仅有一个冷端采样模块异常，剩余冷端采样模块正常，则采用正常的冷端采样模块的冷端采样电压参与步骤3的计算；

若所有的冷端采样模块异常，则采用最邻近一个正常的计算循环的冷端采样电压参与步骤3的计算，本次采样作废；

所述步骤3包括：

根据步骤2得到的冷端采样电压和公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，反算得到热敏电阻阻值R_NTC，根据热敏电阻的阻值-温度表格，得到每个冷端采样电压对应的热电偶冷端温度；

判断是否存在任意两个热电偶冷端温度的差值大于等于设定温度，若存在，则认为此时冷端采样模块存在不可信故障，舍弃此次采样得到的热电偶冷端温度，采用最邻近的一个正常计算循环的冷端温度值作为当前的热电偶冷端温度进入步骤4；否则，取各热电偶冷端温度的平均值作为当前的热电偶冷端温度进入步骤4。

有益效果：本发明的热电偶信号处理系统，具有成本低、可实现自动温度测量和信号处理、操作简单的特点；经过设计和标定，可以达到测温精度在±1摄氏度以内，精度较高，且无论冷端或热端温度如何变化，均可做到自动补偿测量结果的效果，保证热端温度测量的准确性；温度测量范围能够满足汽车应用。与现有技术相比，打破了国外在此领域的长期垄断，实现传感器技术的自主可控。

附图说明

图1为本发明的总体组成示意图；

图2为本发明的信号处理流程图；

图3为本发明的冷端采样电路和电源采样电路原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本实施例的热电偶信号处理系统包括电源1、电源转换电路2、电源采样电路3、冷端采样电路4、中央处理器5、热电偶6、热电偶通道切换电路7、热电偶采样电路8、总线收发器9和CAN总线10，连接关系如图1所示。该系统可以满足多个热电偶6的信号处理工作，实际使用中，将这些热电偶6分别布置于不同的待测温度氛围中，信号处理系统按顺序分时地处理各个热电偶采集的温度信息。图1中粗线、细线所代表的含义如图1各线上注释。上述所有模块在实际设计时，集成在一块电路板上。热电偶6允许有若干路，在本实施例中，共有三个通道的热电偶6，热电偶端部(热端)探入待测的温度环境中。

其中，电源1负责整个信号处理系统的供电，电源1首先连接到电源转换电路2中，中央处理器5、热电偶通道切换电路7、热电偶采样电路8、冷端采样电路4、总线收发器9需要5V电压供电，由于电源1一般在整车上取自蓄电池，标称电压通常在12V(乘用车)～24V(商用车)之间，在发送机点火工作期间，实际蓄电池电压可能更高，不满足内部电路的供电需求，故电源转换电路2负责将电源1的电压转换为5V恒压输出，供给中央处理器5、热电偶通道切换电路7、热电偶采样电路8、冷端采样电路4和总线收发器9。

电源1还连接到电源采样电路3，该电源采样电路3负责对于供电电压进行采样，采样信息发送中央处理器5，经过如图3右侧所示的电源采样电路3分压后，将电压信号传送给中央处理器5，作为中央处理器5判断供电电源是否存在故障的依据。设标准电阻2的阻值为R₂，标准电阻3的阻值为R₃，则电源电压采样点V的值为：V＝Vs*R₃/(R₃+R₂)，单位：(伏特)。式中，Vs为电源电压，R₂、R₃为设计的标准电阻阻值，已知。中央处理器5通过采集电源采样电路3传来的信号V，计算得到Vs，作为供电电源不稳定的故障诊断信息源。

热电偶通道切换电路7负责切换不同的热电偶6进行处理，具体为：该热电偶通道切换电路7连接全部热电偶6，并接收中央处理器5的控制信号，以决定哪一通道的热电偶信号可以通过。本实施例的热电偶6具有两个端部，一端位于待测温度气氛中，称之为热端，另一端置于热电偶信号处理系统中，称之为冷端，该冷端与冷端采样电路4紧邻布置；组成热电偶6的材料具有可以把热端与冷端温度差值，转换为热电偶两线间电势差的特性，利用这一特性，通过测量此电势差，即可对应一个热端冷端温度差，若通过其他手段测量冷端温度，即可得知热端温度。

热电偶通道切换电路7还连接到热电偶采样电路8，被允许通过的热电偶信号进入热电偶采样电路8中，热电偶采样电路8负责将进入的热电偶信号进行采集并发送给中央处理器5。热电偶通道切换电路7受到中央处理器5控制，中央处理器5在某一时刻，只能同时处理一个热电偶6的转换电势差信息，中央处理器5通过发送控制信号给热电偶通道切换电路7，决定在此时刻下，哪一个通道的热电偶信号可以被采集。

冷端采样电路4连接到中央处理器5，该冷端采样电路4的内部结构如图3左侧所示，冷端电压采样点电压信号接入中央处理器5采集。如图1所示，本实施例采用两个完全相同的冷端采样电路4，两个冷端采样电路4的信号都经过中央处理器5采集，最终采用二者平均值作为所有热电偶6的共用冷端温度采样值，在实际信号处理系统中，系统可以处理多个热电偶信号，为了节约成本，并非每个热电偶都需要一个冷端采样电路4，因此在设计电路时，将多个热电偶6的冷端尽可能的密集布置，则这些热电偶6的冷端温度相近，在这些冷端的布置位置附近布置冷端采样电路4，可以采用较少的成本达到合适的测量精度。

总线收发器9连接到中央处理器5并挂接到外部CAN总线10上，负责发送和接收CAN总线通信报文。

中央处理器5是嵌入式系统，由单片机最小系统、外设等组成，通过预先写入代码，操作内部AD模数转换器、CAN协议控制器、串行通信接口、数字输入输出端口等外设，实现从电源采样电路3采集电压(AD)、从冷端采样电路4采集电压(AD)、从热电偶采样电路8采集电势差(串行通信)、与总线收发器9收发总线报文(CAN协议控制器)以及对热电偶通道切换电路7发送控制信号(数字输入输出)。

中央处理器5按照热电偶温度采集原理，计算待测的热端温度，并通过采集得到的信息，中央处理器5还负责对部分电路组成部分进行诊断和故障处理，具体为：热电偶电路存在着断路、短路的可能性；冷端采样电路4也存在断路、短路的可能性；电路的供电电源可能不稳定；电路所处的温度可能超过极限、所有电路都可能因为受到干扰等因素导致测量失准等。中央处理器5可以根据从热电偶采样电路8、冷端采样电路4、电源采样电路3等处收集的信号信息，判断上述故障是否发生以及一旦故障发生，采取相应的处理措施，处理措施包括：系统功能降级、系统功能禁止等，并记录故障信息。

本实施例的热电偶信号处理系统的工作原理为：

利用热电偶的特性之一：中间温度定律，使用公式表示为：

E(t，0)＝E(t，t0)+E(t0，0)

式中，E(t，0)表示热电偶热端温度为t，冷端温度为0摄氏度时，其热端与冷端产生的电势差；E(t，t0)表示热电偶热端温度为t，冷端温度为t0时，其热端与冷端的电势差；E(t0，0)表示热电偶热端温度为t0，冷端温度为0时，其热端与冷端的电势差。利用此公式，结合图1所示，若t0代表热电偶冷端温度，t代表热电偶待测的热端温度，则E(t，t0)可以由图1所示的热电偶采样电路8采集得到；t0可以由图1所示的冷端采样电路4采样并计算获得，由于热电偶已经标准化，标准化的热电偶6提供其温度与电势差的对照关系表格，热电偶的标准温度-电势差表格是当热端为某个标准温度，而其冷端恒定为0摄氏度时，测量热电偶冷热端电势差得到，所以若冷端温度t0已经获得，通过查阅此表格，即可得知E(t0，0)的数值；同理，如上所述，获取了E(t，t0)和E(t0，0)的数值后，相加的值即为E(t，0)，通过此电势差的值反查热电偶标准的温度-电势差对照表格，即可得知当前的热端温度t。上述的计算、查表操作，均在图1所示的中央处理器内完成，设计人员预先写入相关的代码和数据库。

该热电偶信号处理系统利用冷端采样电路4得到热电偶的冷端温度，具体为：通过在热电偶冷端附近安置两组热敏电阻，测量热电偶的冷端温度。测量原理为电阻的串联分压原理，即将热敏电阻(NTC型)与标准电阻1串联后接入固定的稳压电源5V，得到如图3左图所示的冷端采样电路4。当冷端附近温度变化时，热敏电阻感知此温度变化，其电阻发生变化，则采样点的电压也对应发生变化。假设标准电阻1的阻值为R₁，热敏电阻阻值为R_NTC，则冷端采样点的电压值U为：U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，单位：(伏特)。其中，R_NTC的阻值与温度的对应关系在热敏电阻出厂时已经固定，冷端采样点电压U由图1中中央处理器5采集，R₁为标准电阻已知，则通过上式可以反算出R_NTC，结合热敏电阻的阻值-温度表格即可知当前的冷端温度。

热电偶信号处理系统的工作流程如图2所示，设计人员在使用该热电偶信号处理系统前，应将预设代码写入中央处理器中，并将热电偶采样电路8和冷端采样电路4调整到合适精度。即标定热电偶的热端和冷端采样。冷端采样电路4在工作时，由于热敏电阻自身也是一种阻抗，在工作时阻抗上不可避免存在电流导致热敏电阻自发热，使得热敏电阻的实际温度总是比热电偶冷端的实际温度略高，在使用该热电偶信号处理系统前，针对此种特点，在若干典型的环境温度下对热电偶冷端进行实测，并将实测的冷端采样电路4电压与温度的对应关系(根据工作原理部分的公式，实际也即热敏电阻的阻值与温度的对应关系)，按照实测值调整后的数据库写入中央处理器中，同理热电偶标准电势差-温度对应表，也要经过此种处理，即将热端置于不同环境温度下，冷端置于标准0摄氏度恒温环境，进行实测并使用测试值更新热电偶的温度-电势差标准表。

如下开始叙述详细的计算和工作流程。下述中所有涉及到查表的操作，所使用的方法都是线性插值法查表，本叙述中全部的描述应能够为行业内人士理解，并能够实现另外的修改。

第一步：热电偶信号处理系统上电工作后，首先自检热电偶采样电路8(即图2中所述的采样芯片)，热电偶采样电路8内部具有预设的采样参数，系统上电后，首先由中央处理器5读取热电偶采样电路8内的采样参数，如果采样参数与预设相同，则继续进行第二步，如果不同，则立即中止整个系统运行，系统通过总线收发器9周期性的发送含有故障信息的CAN总线报文。

第二步：中央处理器5采集电源采样电路3和冷端采样电路4传来的电压信号。

根据电源采样电路3的电压值，按照公式V＝Vs*R₃/(R₃+R₂)计算电源电压Vs，若满足以下任一条件：在24V商用车系统中电源电压超过30V或低于9V、在12V乘用车系统中电源电压超过16V或低于7V，则认为此时电源电压异常，中央处理器进行故障处理即将故障码保存至中央处理器内部存储空间，系统功能正常运行；若电压不满足以上任意条件，则说明电源供电正常，不做处理。

冷端采样电路4电压值由于热敏电阻在设计的温度范围内其电阻值有一定的取值范围，设其最大取值为Rmax，最小取值为Rmin，将此两个值代入公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，计算得出两个U的极限值，称之为Umax和Umin，即冷端采样电路4电压值应该在此两个值之间。如果中央处理器5采集得到的冷端采样电路4电压值超过此范围，则认为冷端采样电路4故障，处理方法为：如果仅一个冷端采样电路4异常，而另一个正常，则最终冷端温度计算时不使用二者的平均值，只使用正常的冷端采样值计算；如果二者均异常，则冷端温度使用最邻近一个正常的计算循环的值，本次采样作废。

第三步：将上一步采样的冷端电压值，根据公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)反算R_NTC，得出R_NTC后，根据热敏电阻的阻值-温度对应表，查表得出此时的冷端温度。

第四步：如果第二步判断两个冷端采样电路4至少存在一个具有故障，则跳过此步；如果判断二者均正常，则将第三步二者计算得出的两个冷端温度值做减法，得到差值，若二者差值大于等于20摄氏度，则认为此时冷端采样电路4存在干扰或故障，称之为不可信故障，此时不再使用二者任何值，处理方法与第二步判断两个冷端采样电路4均异常的处理方法相同，采用最邻近的一个正常计算循环的冷端温度值作为最终值。如果二者温度差值在20摄氏度范围内，则采用二者平均值作为本次循环最终计算得到的冷端温度值t0。

第五步：根据计算得到的冷端温度值，判断热电偶信号处理系统的工作温度。在实际设计中，热电偶信号处理系统中各模块均在同一电路板上，即冷端采样电路4计算得到的冷端温度值，也即是电路板的温度值。判断此温度，若冷端温度超过了设计温度上限(如125摄氏度)，则认为此时信号处理系统过温，中央处理器5保存该故障信息，系统其他功能正常运转。若冷端温度不超过设计上限，则不做处理。

第六步：中央处理器5发送控制信号给热电偶通道切换电路7，确定本次循环需要采样的热电偶通道(按次序每个循环采样一个通道)，热电偶电势差通过热电偶通道切换电路7在热电偶采样电路中被采集，采集的信号通过串行通信的方式发送给中央处理器5，中央处理器5采集此值，即E(t，t0)。

中央处理器5根据第四步得到的冷端温度值t0，查询热电偶的标准温度-电势差对照表，可以得到热端温度为t0，冷端温度为0度时的电势差，称之为冷端补偿电压，即E(t0，0)。

第七步：第六步测得的E(t，t0)，按照设计，具有一定的取值范围。如热端温度t的设计测量范围为-40～800摄氏度；冷端温度t0设计温度范围-40～125摄氏度，则根据热电偶标准的温度-电势差对照表，E(t，t0)的取值范围为当温差为-165摄氏度(热端-40，冷端125)～840摄氏度(热端800，冷端-40)时对应的热电偶的电势差。如果测得的E(t，t0)超出此范围，则认为此时从热电偶6到最终中央处理器5的电路某处存在故障，中央处理器5此时禁止系统再更新本次循环对应通道的测定的热端温度值，并将故障信息保存到中央处理器5内部存储空间中。

第八步，若第七步中测得的电势差E(t，t0)不存在故障，则使用此电势差与第六步测得的E(t0，0)做加法，二者的和即为E(t，0)。中央处理器5使用此E(t，0)查询热电偶标准温度-电势差表格，得到最终测得的热端温度t。若第七步中判断热电偶电路存在故障，则使用最邻近一次正常循环的热端温度值作为最终的热端温度t。

第九步，中央处理器5根据第二步～第八步的所有故障信息，决定向CAN总线上传送的数据。如果没有任何故障，则中央处理器5将测得的热端温度、冷端温度按照预设的通信协议发送至总线收发器9，再由总线收发器9将报文发送到CAN总线10上。

若电源存在故障，则根据通信协议在报文中添加电源部分的故障码；若冷端采样电路4有一个存在取值超范围的故障，则通信报文中所有冷端温度值使用正常的冷端采样电路值替代；若两个均存在超范围故障或存在不可信故障，则全部使用邻近正常循环值替代；若电路板温度(冷端温度)超过设计范围，则根据协议在通信报文中添加过温故障的故障码；若热电偶采样电路8存在故障，则对应存在故障的热电偶通道的热端温度值，使用最邻近的正常循环的热端温度值替代，并根据协议在通信报文中添加热端故障的故障码。

第十步：回到第二步，开始下一次循环。

Claims (9)

1.一种热电偶信号处理系统，其特征在于：包括：

电源模块，用于向系统中各模块供电；

冷端采样模块，用于对热电偶的冷端电压进行采样，并将得到的冷端采样电压发送给中央处理模块；

热电偶，其热端探入待测温度环境中，其冷端与冷端采样模块紧邻布置；

热电偶采样模块，用于对热电偶两端电势差进行采集并将采集电势差发送给中央处理模块；

中央处理模块，用于基于热电偶温度采集原理，根据来自冷端采样模块的冷端采样电压和来自热电偶采样模块的采集电势差，计算得到待测环境温度；

数据收发模块，用于根据中央处理模块的命令，进行通信报文收发。

2.根据权利要求1所述的一种热电偶信号处理系统，其特征在于：还包括：

电源采样模块，用于对电源模块的供电电压进行采样，采样电压发送给中央处理模块；

所述中央处理模块根据来自电源采样模块的采样电压判断电源模块是否存在故障、根据来自冷端采样模块的冷端采样电压判断冷端采样模块是否存在故障、根据来自热电偶采样模块的采集电势差判断热电偶采样模块是否存在故障以及根据发生的故障采用相应的处理措施。

3.根据权利要求1所述的一种热电偶信号处理系统，其特征在于：所述冷端采样模块包括串联的标准电阻1和热敏电阻，冷端采样电压U为：U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，其中，R_NTC为热敏电阻阻值，R₁为标准电阻1阻值；

所述中央处理模块根据冷端采样电压U，反算得到热敏电阻阻值R_NTC，并基于热敏电阻的阻值-温度表格，得到当前的冷端温度。

4.根据权利要求1所述的一种热电偶信号处理系统，其特征在于：所述电热偶包括一个或多个热电偶；当采用多个热电偶时，采用多个完全相同的冷端采样模块对各热电偶的冷端电压进行采样，所有冷端采样模块的冷端采样电压进入中央处理模块；所述中央处理模块采用所有冷端采样电压的平均值作为冷端采样电压，参与待测环境温度的计算。

5.根据权利要求4所述的一种热电偶信号处理系统，其特征在于：当采用多个热电偶时，在热电偶和热电偶采样模块之间设置热电偶通道切换模块，所述热电偶通道切换模块连接全部热电偶，根据中央处理模块的控制信号决定某时刻哪个通道的热电偶信号可以通过，被允许通过的热电偶信号进入热电偶采样模块中，热电偶采样模块将进入的热电偶信号进行采集并发送给中央处理器。

6.根据权利要求1所述的一种热电偶信号处理系统，其特征在于：所述电源模块包括负责供电的电源和电源转换电路；所述电源转换电路将电源的电压转换为各模块的额定工作电压，恒压输出给中央处理模块、热电偶采样模块、冷端采样模块和数据收发模块。

7.基于权利要求1至6任意一项所述的一种热电偶信号处理系统的信号处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：获取冷端采样电压U，根据公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，反算得到热敏电阻阻值R_NTC，根据热敏电阻的阻值-温度表格，得到当前热电偶冷端温度；

步骤2：基于步骤1得到的热电偶冷端温度，查阅热电偶的标准温度-电势差表格，得到当热电偶热端温度为t0，冷端温度为0时，其热端与冷端的电势差E(t0，0)的数值；

步骤3：获取当前接入的热电偶两端电势差E(t，t0)，E(t，t0)表示当热电偶热端温度为t，冷端温度为t0时，其热端与冷端的电势差；

步骤4：根据公式E(t，0)＝E(t，t0)+E(t0，0)计算得到当热电偶热端温度为t，冷端温度为0℃时，其热端与冷端产生的电势差；

步骤5：通过查阅热电偶的标准温度-电势差表格，得到当前接入的热电偶的热端温度，即得到待测环境温度t。

8.基于权利要求1至6任意一项所述的一种热电偶信号处理系统的信号处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：上电后，进行热电偶采样模块自检，若存在故障，则中止热电偶信号处理系统运行，记录并处理故障信息；否则，进入步骤2；

步骤2：获取电源采样电压V，根据公式V＝Vs*R₃/(R₃+R₂)计算电源电压Vs，其中，R₂为标准电阻2阻值，R₃为标准电阻3阻值，标准电阻2和标准电阻3串联构成电源采样模块；判断电源电压Vs是否存在异常，若存在异常，则记录并处理故障信息，热电偶信号处理系统功能正常运行，进入步骤3，否则不做任何处理，进入步骤3；

获取冷端采样电压，并判断冷端采样电压是否在正常范围内，若超过该正常范围内，则记录并处理故障信息得到冷端采样电压，进入步骤3，否则不做任何处理，进入步骤3；

步骤3：根据步骤2得到的冷端采样电压和公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，反算得到热敏电阻阻值R_NTC，根据热敏电阻的阻值-温度表格，得到当前热电偶冷端温度t0，进入步骤4；

步骤4：根据当前的热电偶冷端温度t0，判断热电偶信号处理系统的工作温度是否超过设定温度上限，若超过，则此时热电偶信号处理系统过温，记录并处理故障信息，热电偶信号处理系统功能正常运转，进入步骤5，否则不做处理，进入步骤5；

步骤5：根据步骤3得到的当前热电偶冷端温度，查阅热电偶的标准温度-电势差表格，得到当热电偶热端温度为t0，冷端温度为0时，其热端与冷端的电势差E(t0，0)；进入步骤6；

步骤6：确定本次循环需要采样的热电偶通道，并获取对应的热电偶采集电势差E(t，t0)，判断E(t，t0)是否超过设定范围，若超出此范围，则认为此时从热电偶到中央处理模块的某处存在故障，记录故障信息并采用最邻近一次正常循环的热端温度值作为最终的待测环境温度，进入步骤2；否则，进入步骤7；

步骤7：根据公式E(t，0)＝E(t，t0)+E(t0，0)，计算得到当热电偶热端温度为t，冷端温度为0℃时，其热端与冷端产生的电势差E(t，0)；进入步骤8；

步骤8：通过查阅热电偶的标准温度-电势差表格，得到当前接入的热电偶的热端温度，即得到待测环境温度；进入步骤2；

若产生故障时，则将产生的故障信息向CAN总线上传送数据，若没有任何故障，则将测得的热端温度、冷端温度按照预设的通信协议发送至总线收发器，由总线收发器将报文发送到CAN总线上。

9.根据权利要求8所述的信号处理方法，其特征在于：在步骤2中，所述的获取冷端采样电压，并判断冷端采样电压是否在正常范围内，若超过该正常范围内，则记录并处理故障信息，所述处理故障信息包括：

若仅有一个冷端采样模块异常，剩余冷端采样模块正常，则采用正常的冷端采样模块的冷端采样电压参与步骤3的计算；

若所有的冷端采样模块异常，则采用最邻近一个正常的计算循环的冷端采样电压参与步骤3的计算，本次采样作废；

所述步骤3包括：

根据步骤2得到的冷端采样电压和公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，反算得到热敏电阻阻值R_NTC，根据热敏电阻的阻值-温度表格，得到每个冷端采样电压对应的热电偶冷端温度；

判断是否存在任意两个热电偶冷端温度的差值大于等于设定温度，若存在，则认为此时冷端采样模块存在不可信故障，舍弃此次采样得到的热电偶冷端温度，采用最邻近的一个正常计算循环的冷端温度值作为当前的热电偶冷端温度进入步骤4；否则，取各热电偶冷端温度的平均值作为当前的热电偶冷端温度进入步骤4。

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