CN112146776B - 一种节能型高精度温度检测板卡 - Google Patents

一种节能型高精度温度检测板卡 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种节能型高精度温度检测板卡，属于列车控制领域，包括与M个进行温度检测的热敏电阻相连接的第一接口电路；对M个热敏电阻的输入电阻分别电压转换、升压、并进行求差计算的升压求差控制组合，将N个模拟信号转换为N个数字电压信号的ADC电路；接收ADC电路传送的N个数字电压信号的中央处理器，当中央处理器接收到的M个数字电压值在0‑U0范围之间，则中央处理器将M个数字电压信号转化处理得到M个数字量温度信号，当所述中央处理器接收到的N‑M个数字电压值大于U1，则控制其余N‑M个升压求差控制电路关闭；CAN/485双路冗余通信电路及，将M个温度信号传送给其他设备的第二接口电路，该温度检测板卡有效提高了检测的精度，自动、节能，便于安装和维护。

Description

一种节能型高精度温度检测板卡
技术领域
本发明涉及列车控制领域，尤其涉及一种节能型高精度温度检测板卡。
背景技术
温度采集板卡是RIOM(Remote Input Output Module远程输入输出模块)的重要组成部分，负责列车车辆变流器、变压器、控制器等主要设备的温度采集，采用温度采集板卡配合温度传感器检测的方式，将被采设备的传感器电阻值采集到温度采集板卡，再通过此板卡将电阻值对应的温度值发送给RIOM主控板从而发送给显示屏及相应的控制器。
现有温度采集板卡采用三线制采集、恒流源辅助供电。现有温度采集板卡主要缺点如下：
1)、三线制采集方法，在实际列车生产调试时接线复杂，不利于装车及维护，且占用电路板端口点位多，不利于电路板接口的功能扩展；
2)、三线制电路设计复杂，处理算法复杂；
3)、PT1000的额定工作电流仅为0.1～1mA，普通恒流源精度不足，从而使得采集的数据偏差较大，甚至存在数据持续跳变现象。高精度恒流源成本较高；
4)、现有ADC模数转换器大多采用单片机或处理器自带ADC，精度12位，采样精度不足；
5)、对于温度采集电路，本质上是采集电阻值，现有温度采集方案不能任意控制关闭采样通道；不能避免温度采集通道在未连接外部温度传感器时，采样通道的能量损失；通常列车运行电子设备通常需要冗余多通道设计以保证安全运行，因此，一块温度采集板卡包含多路温度采集通道，但是实际使用中，同一块温度采集板卡仍有多路通道未使用，这些通道虽然未使用，但仍然处于通电状态，这样会增加板卡电源的负荷，也会增加采样通道的能耗和发热，缩短使用寿命。
司机可以通过显示屏的检测数据判断主要设备是否有过热现象，控制器读出精确的温度信号后进行下一步的整车控制或者保护机制，避免关键设备过热甚至起火，从而影响列车的安全行驶。其稳定性直接影响到变流器、变压器、控制器等主要设备的稳定性和可靠性，对列车安全运行有着非常重要的作用。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种节能型高精度温度检测板卡，包括与M个进行温度检测的热敏电阻相连接的第一接口电路；
接收所述第一接口电路传送的M个热敏电阻的输入电阻分别电压转换、升压、并进行求差计算的升压求差控制组合，所述升压求差控制组合包括电源控制电路和分别与所述电源控制电路相连接的N个相互独立的升压求差控制电路；
接收所述升压求差控制组合传送的N个模拟信号转换为N个数字电压信号的ADC电路；
接收所述ADC电路传送的N个数字电压信号的中央处理器，当所述中央处理器接收到的M个数字电压值在0-U0范围之间，则中央处理器将M个数字电压信号转化处理得到M个数字量温度信号，当所述中央处理器接收到的N-M个数字电压值大于U1,则控制其余N-M个升压求差控制电路关闭；
接收所述中央处理器传送的M个数字量温度信号的CAN/485双路冗余通信电路；
接收所述CAN/485双路冗余通信电路传送的M个温度信号，并将M个温度信号传送给其他设备的第二接口电路；
为所述第一接口电路、所述升压求差控制电路、所述ADC电路、所述CAN/485双路冗余通信电路和所述第二接口电路提供电源的电源模块。
进一步地，M≤N。
进一步地，所述升压求差控制电路包括将热敏电阻值的电阻值转化为电压的桥式电压转化电路；
接收所述桥式电压转化的电压值进行滤波和避免干扰保护的第一电压跟随电路；
接收所述第一电压跟随电路传送的滤波后的电压值进行求差和放大的求差放大电路；
接收所述求差放大电路放大后的电压值、将放大的电压值进行电压钳位的电压钳位电路；
接收所述电压钳位电路传送的电压值进行滤波和隔离保护的第二电压跟随电路。
进一步地，所述电源控制电路包括提供2.5V的电源模块电路和控制所述电源模块电路的电源开关电路；
所述电源开关电路包括光耦U5、电阻R25、电阻R27、电阻R26、电阻R21、电阻R28、电阻R13、电容C15、三极管Q1和放大器IC0；
所述光耦U5的引脚1与通过电阻R27与地相连接，所述光耦U5的引脚2与所述中央处理器相连接；所述光耦U5的引脚3、所述场效应管Q1的S极与地相连接；所述光耦U5的引脚4与所述场效应管Q1的G极相连接；所述电阻R25一端与地相连接，所述电阻R25的另一端与所述光耦U5的引脚4、所述场效应管Q1的G极相连接；
所述电容C23一端与所述放大器IC0的同相输入端相连接；
所述电阻R21一端与所述场效应管Q1的D极、电阻R26相连接；
所述电阻R21的另一端与所述电源模块电路及电容C15一端相连接；所述电容C15的另一端与电阻R13一端相连接，所述电阻R13的另一端与热敏电阻的一端及升压求差控制电路相连接；
所述放大器IC0的反相输入端与所述放大器IC0的输出端、所述电阻R28一端相连接；
所述电阻R28的另一端与热敏电阻的另一端及升压求差控制电路相连接。
进一步地，热敏电阻采用两线制与所述第一接口电路相连接。
进一步地，所述求差放大电路包括放大器IC2、电阻R12、电阻R14、电阻R22、电阻R23和电容C14和电容C21；
所述放大器IC2的反相输入端与电阻R14一端和电阻R12的一端相连接；
所述电阻R14的另一端与所述第一电压跟随电路相连接；
所述电阻R12的另一端与所述放大器IC2的输出端及所述电压钳位电路相连接；
所述电容C21一端与电阻R23、地和电压钳位相连接；
所述电容C21另一端与放大器IC2的电源负相端及地相连接；
所述电容C14的一端与地相连接，所述电容C14的另一端与地及放大器IC2的电源正向端相连接。
进一步地，所述电压钳位电路包括芯片TL431DR、电阻R69、电阻R71、电阻R70、电阻R72和电阻R16；
所述芯片TL431DR的REF端与电阻R69的一端及电阻R71的一端相连接；
所述电阻R69的另一端与所述差分放大电路、所述电阻R72相连接；
所述电阻R71的另一端与所述差分放大电路、所述第二电压跟随电路及所述芯片TL431DR的2引脚、3引脚、6引脚、7引脚相连接；
所述电阻R70的一端与所述芯片TL431DR的1引脚相连接，所述电阻R70的另一端与所述电租R72的另一端及电阻R15一端相连接；
所述电阻R15的另一端与所述第二电压跟随电路相连接。
进一步地，所述ADC电路采用的芯片型号是AD7606BSTZ。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种节能型高精度温度检测板卡，通过两线制的高精度温度采集通道的电路设计，通过高精度恒流源、不平衡电桥升压及高精度ADC芯片的设计，有效提高温度采集的精度，缩小相对误差，实测精度低于0.5％；两线制接法简单、安装维护方便，中央处理器算法简单；高电压保护设计，采样通道能够电压钳位检测，根据判断输入电压钳位输入电压，保护运放和ADC等芯片；自主判断通道是否正在使用(即面板对应通道是否连接了热电偶)，可自动关闭未使用通道，根据采样电压自动判定采样通道是否外接了温度传感器，若悬空，则能关闭该路通道的电源，起到减少能耗，延长板卡使用寿命的目的；本发明中的温度检测热敏电阻，对于PT1000、PT100等温度检测器都可适用，该温度检测板卡有效提高了温度检测的精度，自动检测节能，便于安装和维护；能够让其他使用温度信号的控制系统更加安全、可靠，非常适合于当前列车控制领域；对变流器、变压器、控制器的稳定工作以及整个列车的安全运行有着重要的作用，在列车网络控制系统中有着明显的优势，是未来发展的方向。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的模块示意图；
图2为本发明的升压求差控制电路示意图；
图3为本发明的ADC采集电路示意图；
图4为本发明的中央处理器电路图；
图5(a)为本发明的RS485通讯电路图；
图5(b)为本发明的CAN通讯电路图；
图6(a)为本发明的5V转±15V通讯子模块电路图；
图6(b)为本发明的5V转3.3V子模块电路图；
图6(c)为本发明的5V转5V子模块电路图；
图7为本发明的软件流程图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
本发明一种节能型高精度温度检测板卡，主要包括第一接口电路、升压求差控制组合、ADC电路、中央处理器、CAN/485双路冗余通信电路、第二接口电路和电源模块；
M个进行温度检测的热敏电阻采用两线制与所述第一接口电路与相连接，所述第一接口电路的另一端将M个热敏电阻的阻值将M个电阻阻值传送给升压求差控制组合；
所述升压求差控制组合包括电源控制电路和和分别与所述电源控制电路相连接的N个相互独立的升压求差控制电路；N可以取值16；M≤N；
所述升压求差控制组合将M个热敏电阻的阻值分别进行电压转换、升压、并进行求差计算；
所述ADC电路将升压求差控制组合传送的N个模拟信号转换为N个数字电压信号；
所述中央处理器接收所述ADC电路传送的N个数字电压信号，当所述中央处理器接收到的M个数字电压值在0-U0范围之间，则中央处理器将M个数字电压信号转化处理得到M个数字量温度信号，当所述中央处理器接收到的N-M个数字电压值大于U1，则控制其余N-M个升压求差控制电路关闭；
U。为热敏电阻的最大电压值，U1为保护热敏电阻设定的远大于U。的电压值；如温度传感器阻值Rpt在0-2000欧姆之间，则对应电压值为0-Ua；电压钳位电路的设定保护电压为Ub；当某路通道未连接传感器Rpt时，对应电阻值为Uc。这三者关系，Ub略大于Ua(需要有个容限范围)，Uc大于Ub(两者之间也有容限)；通过设定合理的U0值，一方面能够利用电压钳位电路对电路进行保护；另一方面能够通过判定超过U0时，其他路通道并未外接传感器，从而可以关闭未工作的通道，实现节能和寿命延长。(本电路设计可以保证，当某一路通道没有外接温度传感器时即Rpt，则抵达电压钳位电路的电压值会超过U0)
所述CAN/485双路冗余通信电路接收所述中央处理器传送的M个温度信号，并将M个温度信号传送给其他设备的第二接口电路。第二接口电路将温度信号发送给其他设备(如显示屏、网络控制柜、变流器控制柜等)；
所述电源模块为所述第一接口电路、所述升压求差控制电路、所述ADC电路、所述CAN/485双路冗余通信电路和所述第二接口电路提供电源。
图1为本发明的模块示意图；所述第一接口电路为前面板电路，第二接口电路为后面板电路；
所述升压求差控制电路包括桥式电压转化电路、第一电压跟随电路、求差放大电路、电压钳位电路和第二电压跟随电路；
所述桥式电压转化电路将热敏电阻值的电阻值转化为电压；
所述第一电压跟随电路对所述桥式电压转化的电压值进行滤波和避免干扰保护；
所述求差放大电路将所述第一电压跟随电路滤波后的电压进行求差和放大；
所述电压钳位电路将所述求差放大电路放大的后电压控制保护在小于U1的范围之内；所述保证在采样通道对外接口处于悬空时以及通道有过压干扰时能够有效关闭采样通道的电源，起到对高精度ADC以及整个电路的保护，并起到节能作用；
所述第二电压跟随电路对所述电压钳位电路传送的电压值进行滤波和隔离保护，输出给所述ADC转换电路。
图2为本发明的升压求差控制电路示意图，Rpt为外接热敏电阻PT1000，
所述电源控制电路包括提供2.5V的电源模块电路和控制所述电源模块电路的电源开关电路；
所述电源开关电路包括光耦U5、电阻R25、电阻R27、电阻R26、电阻R21、电阻R28、电阻R13、电容C15、三极管Q1和放大器IC0；
所述光耦U5的引脚1与通过电阻R27与地相连接，所述光耦U5的引脚2与所述中央处理器相连接；所述光耦U5的引脚3、所述场效应管Q1的S极与地相连接；所述光耦U5的引脚4与所述场效应管Q1的G极相连接；所述电阻R25一端与地相连接，所述电阻R25的另一端与所述光耦U5的引脚4、所述场效应管Q1的G极相连接；
所述电容C23一端与所述放大器IC0的同相输入端相连接；
所述电阻R21一端与所述场效应管Q1的D极、电阻R26相连接；
所述电阻R21的另一端与所述电源模块电路及电容C15一端相连接；所述电容C15的另一端与电阻R13一端相连接，所述电阻R13的另一端与热敏电阻的一端及升压求差控制电路相连接；
所述放大器IC0的反相输入端与所述放大器IC0的输出端、所述电阻R28一端相连接；
所述电阻R28的另一端与热敏电阻的另一端及升压求差控制电路相连接。
进一步地，所述求差放大电路包括放大器IC2、电阻R12、电阻R14、电阻R22、电阻R23和电容C14和电容C21；
所述放大器IC2的反相输入端与电阻R14一端和电阻R12的一端相连接；
所述电阻R14的另一端与所述第一电压跟随电路相连接；
所述电阻R12的另一端与所述放大器IC2的输出端及所述电压钳位电路相连接；
所述电容C21一端与电阻R23、地和电压钳位相连接；
所述电容C21另一端与放大器IC2的电源负向端及地相连接；
所述电容C14的一端与地相连接，所述电容C14的另一端与地及放大器IC2的电源正相端相连接。
进一步地，所述电压钳位电路包括芯片TL431DR、电阻R69、电阻R71、电阻R70、电阻R72和电阻R16；
所述芯片TL431DR的REF端与电阻R69的一端及电阻R71的一端相连接；
所述电阻R69的另一端与所述差分放大电路、所述电阻R72相连接；
所述电阻R71的另一端与所述差分放大电路、所述第二电压跟随电路及所述芯片TL431DR的2引脚、3引脚、6引脚、7引脚相连接；
所述电阻R70的一端与所述芯片TL431DR的1引脚相连接，所述电阻R70的另一端与所述电租R72的另一端及电阻R15一端相连接；
所述电阻R15的另一端与所述第二电压跟随电路相连接。
通过不平衡求差电路将Rpt电压UBA与(R17+R19)精密电阻的电压UCA经过两个高精度电压跟随电路接入差分放大电路，将UBA与UCA的电压差值UED放大倍，得到电压UFG，经过电源管理芯片U13(TL431R)与R69、R70、R71、R72、R16共同组成的电压钳位电路，输入高精度电压跟随电路后得到UJK,UJK＝UFG接入高精度ADC电路；
当温度采集通道对外接口用两线制连接Rpt热阻时，即Rpt＝800～1800Ω时，电压钳位电路不工作，U13未导通。则此电路将输入热阻采集范围设定为800～1800Ω，其中803.063～1795.275对应-50℃～210℃，经过差分放大和电压钳位后将800～1800Ω对应到0～9.9835V；
当温度采集通道的对外接口并未连接热敏电阻Rpt时，即UBA＝0V， 该电压远超过运算放大器和CAN/485双路冗余通信电路的引脚电压最大值；此时电压钳位电路工作，通过调节R69和R71可以设定UFGmax时，U13导通，经过R70限流后将UHI电压限定在10<UHI<UFGmax的范围内，达到电压钳位的目的，从而保护后级运放及CAN/485双路冗余通信电路，此时UJK＝UHI>10，经过CAN/485双路冗余通信电路传输给所述中央处理器，所述中央处理器通过判定UJK>10，得出该路通道未连接热敏电阻Rpt，再发出高电平控制信号D1控制光耦U5关断，则Q1导通，ULA≈0,该路通道关闭。
图2中，热敏电阻Rpt两端的电压：
CA两点间的电压如下：
ED两点间的电压如下：
运放IC2有升压放大作用，因此有：
根据AD7606的高精度ADC转换关系有：
UAIN＝UJK (5)
芯片U1采集的模拟电压信号转换为数字量V1，将(4)、(5)、(6)带入(3)式可得：
中央处理器采集到数字量V1后通过公式计算出热电阻的阻值Rpt后，再核对PT1000热电阻分度表即可换算成被测的温度值。
图3为本发明的ADC采集电路示意图；所述ADC电路采用ADR421高精度基准电源芯片给供电，芯片误差小于±0.12％。
高精度ADC采集电路采用ANALOG DEVICES公司的AD7606模数转换器，该芯片可将0～10V的电压模拟信号转换为0～32767的数字量后发送给控制器，采样精度达到15位。通常中央处理器内部的ADC只有12位，这样可以有效提高采样精度，AD7606工作温度-40℃～85℃，结温150℃，能够应用于铁路工控环境。本芯片可同时处理AIN1～AIN8的8路采样通道的模拟量，如果有需要，还可以增加AD7606从而增加采样通道，扩展整个温度检测板卡的采样通道数量。此处的AD7606也可更换成更高精度的AD7608等模拟量采集芯片，从而进一步提高采样精度。
图4为本发明中央处理器电路图；中央处理器电路由STM32Z主控芯片、晶振、调试端口、MAX824T看门狗芯片、发光二极管共同构成，用于对采样通道采集到的值进行处理和控制，并建立对其他设备的通信。
图5(a)为本发明的RS485通讯电路图；图5(b)为本发明的CAN通讯电路图；双路通信电路。
所述电源模块包括5V转±15V通讯子模块、5V转3.3V子模块和5V转5V子模块；
图6(a)为本发明的5V转±15V通讯子模块电路图；±15V通讯电路主要用于采样通道的运算放大器供电，
图6(b)为本发明的5V转3.3V子模块电路图；3.3V主要用于控制器电路的供电，
图6(c)为本发明的5V转5V子模块电路图；5V转5V目的在于提供隔离电源给采样通道的基准电源U4供电。
图7为本发明的软件流程图。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种节能型高精度温度检测板卡，其特征在于：包括与M个进行温度检测的热敏电阻相连接的第一接口电路；
接收所述第一接口电路传送的M个热敏电阻的输入电阻分别电压转换、升压、并进行求差计算的升压求差控制组合，所述升压求差控制组合包括电源控制电路和分别与所述电源控制电路相连接的N个相互独立的升压求差控制电路；
接收所述升压求差控制组合传送的N个模拟信号转换为N个数字电压信号的ADC电路；M≤N；
接收所述ADC电路传送的N个数字电压信号的中央处理器，当所述中央处理器接收到的M个数字电压值在0-U0范围之间，则中央处理器将M个数字电压信号转化处理得到M个数字量温度信号，当所述中央处理器接收到的N-M个数字电压值大于U1,则控制其余N-M个升压求差控制电路关闭；
接收所述中央处理器传送的M个数字量温度信号的CAN/485双路冗余通信电路；
接收所述CAN/485双路冗余通信电路传送的M个温度信号，并将M个温度信号传送给其他设备的第二接口电路；
为所述第一接口电路、所述升压求差控制电路、所述ADC电路、所述CAN/485双路冗余通信电路和所述第二接口电路提供电源的电源模块；
所述升压求差控制电路包括将热敏电阻值的电阻值转化为电压的桥式电压转化电路；
接收所述桥式电压转化的电压值进行滤波和避免干扰保护的第一电压跟随电路；
接收所述第一电压跟随电路传送的滤波后的电压值进行求差和放大的求差放大电路；
接收所述求差放大电路放大后的电压值、将放大的电压值进行电压钳位的电压钳位电路；
接收所述电压钳位电路传送的电压值进行滤波和隔离保护的第二电压跟随电路；
所述电压钳位电路包括芯片TL431DR、电阻R69、电阻R71、电阻R70、电阻R72和电阻R16；
所述芯片TL431DR的REF端与电阻R69的一端及电阻R71的一端相连接；
所述电阻R69的另一端与所述求差放大电路、所述电阻R72相连接；
所述电阻R71的另一端与所述求差放大电路、所述第二电压跟随电路及所述芯片TL431DR的2引脚、3引脚、6引脚、7引脚相连接；
所述电阻R70的一端与所述芯片TL431DR的1引脚相连接，所述电阻R70的另一端与所述电阻R72的另一端及电阻R15一端相连接；
所述电阻R15的另一端与所述第二电压跟随电路相连接。
2.根据权利要求1所述的一种节能型高精度温度检测板卡，其特征在于：所述电源控制电路包括提供2.5V的电源模块电路和控制所述电源模块电路的电源开关电路；
所述电源开关电路包括光耦U5、电阻R25、电阻R27、电阻R26、电阻R21、电阻R28、电阻R13、电容C15、三极管Q1和放大器IC0；
所述光耦U5的引脚1与通过电阻R27与地相连接，所述光耦U5的引脚2与所述中央处理器相连接；所述光耦U5的引脚3、所述三极管Q1的S极与地相连接；所述光耦U5的引脚4与所述三极管Q1的G极相连接；所述电阻R25一端与地相连接，所述电阻R25的另一端与所述光耦U5的引脚4、三极管Q1的G极相连接；
所述电容C23一端与所述放大器IC0的同相输入端相连接；
所述电阻R21一端与所述三极管Q1的D极、电阻R26相连接；
所述电阻R21的另一端与所述电源模块电路及电容C15一端相连接；所述电容C15的另一端与电阻R13一端相连接，所述电阻R13的另一端与热敏电阻的一端及升压求差控制电路相连接；
所述放大器IC0的反相输入端与所述放大器IC0的输出端、所述电阻R28一端相连接；
所述电阻R28的另一端与热敏电阻的另一端及升压求差控制电路相连接。
3.根据权利要求1所述的一种节能型高精度温度检测板卡，其特征在于：热敏电阻采用两线制与所述第一接口电路相连接。
4.根据权利要求1所述的一种节能型高精度温度检测板卡，其特征在于：所述求差放大电路包括放大器IC2、电阻R12、电阻R14、电阻R22、电阻R23和电容C14和电容C21；
所述放大器IC2的反相输入端与电阻R14一端和电阻R12的一端相连接；
所述电阻R14的另一端与所述第一电压跟随电路相连接；
所述电阻R12的另一端与所述放大器IC2的输出端及所述电压钳位电路相连接；
所述电容C21一端与电阻R23、地和电压钳位电路相连接；
所述电容C21另一端与放大器IC2的电源负相端及地相连接；
所述电容C14的一端与地相连接，所述电容C14的另一端与地及放大器IC2的电源正向端相连接。
5.根据权利要求1所述的一种节能型高精度温度检测板卡，其特征在于：所述ADC电路采用的芯片型号是AD7606BSTZ。
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