CN117686108A - 一种热电阻的温度采集和故障监测装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电阻的温度采集和故障监测装置及其控制方法，该装置包括：双激励电流源，通过复用器中配置的一部分采集通道，与基准电阻模块和热电阻构成回路；基准电压监测器，通过复用器中配置的另一部分采集通道，监测基准电阻模块上的电压；控制单元，用于根据基准电压监测器监测到的基准电阻模块上的电压，判断两根以上导线中是否有一部分导线断开；确定复用器中配置的两个以上采集通道中与热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与热电阻对应的两个采集通道的电压判断两根以上导线中是否有另一部分导线断开。该方案，通过单个ADC单元监测热电阻的接口采样单元的外部电压，实现热电阻的采集端口的烧毁监测功能，且结构简单、成本低。
Description
技术领域
本发明属于温度采集技术领域，具体涉及一种热电阻的温度采集和故障监测装置及其控制方法，尤其涉及一种具备烧毁监测功能的高精度热电阻采集电路及其控制方法。
背景技术
随着自动化领域的不断发展，越来越多的加工场景和设备需要进行温度监控，并且通常都采用热电偶、热电阻进行测温。而热电阻由于其高准确度、高线性度、高稳定性在高精密加工的场合被经常使用，其中以三线热电阻的接线方式的热电阻采集装置最常见。
但是，在一些复杂的工业场景中，无法避免强振动、高噪声对热电阻采集装置的采集线路带来的影响，会出现热电阻采集装置的采集线路物理中断的情况，与此同时由于很多热电阻采集装置并不具备烧毁监测功能，无法在线排查热电阻采集装置的线路故障，给热电阻采集装置的维护和故障排查带来极大的困难。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种热电阻的温度采集和故障监测装置及其控制方法，以解决在一些复杂的工业场景中强振动、高噪声会导致热电阻采集装置的采集线路物理中断，但热电阻采集装置不具备烧毁监测功能，无法在线排查热电阻采集装置的线路故障，使得热电阻采集装置的维护和故障排查的难度极大的问题，达到通过单个ADC芯片监测热电阻的接口采样电路的外部电压，实现热电阻的采集端口的烧毁监测功能，能够在线排查热电阻采集装置的线路故障，使得热电阻采集装置的维护和故障排查的难度得以降低，精度高，且电路结构简单、成本低的效果。
本发明提供一种热电阻的温度采集和故障监测装置，包括：接口采样单元、ADC单元和控制单元；所述热电阻，通过两根以上导线，与所述接口采样电路的采样端口相连；所述接口采样电路的引脚端口，与所述ADC单元的通道引脚相连；其中，所述接口采样单元，包括：基准电阻模块；在所述ADC单元中，设置有双激励电流源、复用器、基准电压监测器；在所述复用器中，配置有两个以上采集通道；所述双激励电流源，在所述控制单元已配置所述ADC单元的激励电源引脚的寄存器的情况下，由所述ADC单元上输出，并通过所述复用器中配置的两个以上采样通道中的一部分采集通道，与所述基准电阻模块和所述热电阻构成回路；所述基准电压监测器，通过所述复用器中配置的两个以上采样通道中的另一部分采集通道，监测所述基准电阻模块上的电压；所述控制单元，用于根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开；以及，确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开。
在一些实施方式中，所述两根以上导线，包括：第一导线、第二导线和第三导线；所述接口采样单元的采样端口，包括：所述接口采样单元的第一接线端子、所述接口采样单元的第二接线端子和所述接口采样单元的第三接线端子；其中，所述热电阻的第一连接端，经所述第一导线后连接至所述接口采样单元的第一接线端子；所述热电阻的第二连接端，经所述第二导线后连接至所述接口采样单元的第二接线端子；所述热电阻的第二连接端，还经所述第三导线后连接至所述接口采样单元的第三接线端子。
在一些实施方式中，所述接口采样单元，还包括：第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、第四电阻模块、第五电阻模块和偏置电阻模块；其中，所述接口采样单元的第一接线端子，经所述基准电阻模块和所述第一电阻模块后，与所述ADC单元的第一引脚相连；所述基准电阻模块和所述第一电阻模块的公共端，经所述第二电阻模块后，与所述ADC单元的第二引脚相连；所述接口采样单元的第一接线端子，还经所述第三电阻模块后，与所述ADC单元的第三引脚相连；所述接口采样单元的第一接线端子，还经所述第四电阻模块后，与所述ADC单元的第四引脚相连；所述接口采样单元的第二接线端子，经所述第五电阻模块后，与所述ADC单元的第五引脚相连；所述接口采样单元的第二接线端子，还与所述ADC单元的第六引脚相连。
在一些实施方式中，所述接口采样单元，还包括：第一电容模块、第二电容模块、第三电容模块、第四电容模块、第五电容模块和第六电容模块；其中，所述第二电容模块和所述第三电容模块串联后，与所述第一电容模块并联在所述ADC单元的第二引脚的连接线与所述ADC单元的第三引脚的连接线之间；所述第五电容模块和所述第六电容模块串联后，与所述第四电容模块并联在所述ADC单元的第四引脚的连接线与所述ADC单元的第五引脚的连接线之间。
在一些实施方式中，在所述ADC单元中，在所述复用器中，还设置有增益放大模块；所述复用器中配置的两个以上采样通道，包括：第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道和第六通道；其中，所述双激励电流源中的第一激励电流源，经所述复用器中配置的第一通道后，与所述ADC单元的第一引脚相连；所述基准电压监测器的第一监测端，经所述复用器中配置的第二通道后，与所述ADC单元的第二引脚相连；所述基准电压监测器的第二监测端，经所述复用器中配置的第三通道后，与所述ADC单元的第三引脚相连；所述基准电压监测器的输出端，与所述控制单元的输入端相连；所述增益放大模块的第一输入端，经所述复用器中配置的第四通道后，与所述ADC单元的第四引脚相连；所述增益放大模块的第二输入端，经所述复用器中配置的第五通道后，与所述ADC单元的第五引脚相连；所述增益放大模块的输出端，与所述控制单元的输入端相连；所述双激励电流源中的第二激励电流源，经所述复用器中配置的第六通道后，与所述ADC单元的第六引脚相连。
在一些实施方式中，所述控制单元根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开，包括：判断所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压是否为设定电压范围内的电压；若是，则确定所述第一导线或所述第三导线已断开，并发出所述第一导线或所述第三导线已断开的提醒消息。
在一些实施方式中，所述控制单元，确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开，包括：在所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压中，包含有正端电压和负端电压；确定所述正端电压是否小于所述负端电压；若确定所述正端电压小于所述负端电压，则确定所述第二导线已断开。
与上述热电阻的温度采集和故障监测装置相匹配，本发明再一方面提供一种热电阻的温度采集和故障监测装置的控制方法，包括：配置所述ADC单元中的寄存器，打开所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道，启动所述双激励电源；获取根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，并获取所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压；根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开；确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开。
在一些实施方式中，在所述两根以上导线包括第一导线、第二导线和第三导线的情况下，根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开，包括：判断所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压是否为设定电压范围内的电压；若是，则确定所述第一导线或所述第三导线已断开，并发出所述第一导线或所述第三导线已断开的提醒消息。
在一些实施方式中，在所述两根以上导线包括第一导线、第二导线和第三导线的情况下，确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开，包括：在所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压中，包含有正端电压和负端电压；确定所述正端电压是否小于所述负端电压；若确定所述正端电压小于所述负端电压，则确定所述第二导线已断开。
由此，本发明的方案，通过在热电阻的接口采样电路的外部设置单个ADC芯片和MCU，在单个ADC芯片中配置双激励电流源、复用器、基准电压监测器和增益放大器，针对热电阻与接口采样电路之间的两根以上导线，使双激励电流源与接口采样电路中的基准电阻、以及热电阻构成回路，利用单个ADC芯片上与基准电阻对应的采集通道，通过基准电压监测器监测基准电阻上的电压，根据监测到的基准电阻上的电压判断两根以上导线中是否有一部分导线断开；通过单个ADC芯片上与热电阻对应的采集通道，监测与热电阻对应的采集通道的电压差，根据该电压差判断两根以上导线中是否有另一部分导线断开；从而，通过单个ADC芯片监测热电阻的接口采样电路的外部电压，实现热电阻的采集端口的烧毁监测功能，能够在线排查热电阻采集装置的线路故障，使得热电阻采集装置的维护和故障排查的难度得以降低，精度高，且电路结构简单、成本低。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的热电阻的温度采集和故障监测装置的一实施例的结构示意图；
图2为三线热电阻烧毁监测电路的结构示意图；
图3为三线热电阻烧毁监测电路的导线1、导线3的断线电流流向示意图；
图4为三线热电阻烧毁监测电路的导线2的断线电流流向示意图；
图5为三线热电阻烧毁监测电路的监测方法的流程示意图；
图6为本发明的热电阻的温度采集和故障监测装置的控制方法的一实施例的流程示意图；
图7为本发明的方法中根据所述基准电阻模块上的电压判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开的一实施例的流程示意图；
图8为本发明的方法中根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开的一实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
相关方案中，具备烧毁监测的热电阻温度采集电路，通常采用增加独立的监测电路来实现烧毁监测，会使得电路复杂，成本增加，并且多余的引线会带来引线电阻误差，影响采集精度。
一些方案提供的热电阻测量装置，通过特定的具备断线监测功能的AD转换芯片实现的热电阻的烧毁监测，借用芯片自身的状态寄存器和电压标志位来监测线路是否断线，但是此类型方案的芯片成本较高，不适合广泛推广应用。
还有一些方案提供的基于电流源的高精度电阻信号调理电路及方法，通过调理电路的运算放大器的状态，实现了传感器的故障监测功能，但是电路较复杂，需额外增加多个运算放大器，方案成本较高，且体积较大，AD采样芯片外围电路引线长，损耗较大，精度不高。
另一些方案提供的热敏电阻测温电路的故障监测电路，采用独立于热敏电阻测温电路自身A/D转换芯片之外的A/D转换器进行故障监测，虽然测温功能和故障监测功能可同步进行、互不影响，但是测试精度并不高，因为看似方案将单片机内部集成的闲置的A/D转换器利用起来，降低了成本；但该方案没有内部基准电压进行校准，采集精度较差，并且额外引出的电压监测线路给单片机，容易引入外部引线噪声干扰，电路可靠性较差。
因此，本发明的方案提出一种热电阻的温度采集和故障监测装置，具体是一种具备烧毁监测功能的高精度热电阻采集电路，通过单模数转换芯片电路(即单个ADC芯片)，配合软件控制逻辑，实现热电阻采集通道的烧毁监测，不增加额外的监测电路；从而，通过单个ADC芯片监测热电阻的接口采样电路的外部电压，实现热电阻的采集端口的烧毁监测功能，能够在线排查热电阻采集装置的线路故障，使得热电阻采集装置的维护和故障排查的难度得以降低，精度高，且电路结构简单、成本低。
根据本发明的实施例，提供了一种热电阻的温度采集和故障监测装置。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该热电阻的温度采集和故障监测装置可以包括：接口采样单元、ADC单元和控制单元，接口采样单元如热电阻的三线接口采样电路，ADC单元如单个ADC芯片，控制单元如MCU；所述热电阻，通过两根以上导线，与所述接口采样电路的采样端口相连；所述接口采样电路的引脚端口，与所述ADC单元的通道引脚相连。
其中，所述接口采样单元，包括：基准电阻模块，如基准电阻RREF。在所述ADC单元中，设置有双激励电流源、复用器、基准电压监测器；在所述复用器中，配置有两个以上采集通道。所述双激励电流源，在所述控制单元已配置所述ADC单元的激励电源引脚的寄存器的情况下，由所述ADC单元上输出，并通过所述复用器中配置的两个以上采样通道中的一部分采集通道，与所述基准电阻模块和所述热电阻构成回路；所述基准电压监测器，通过所述复用器中配置的两个以上采样通道中的另一部分采集通道，监测所述基准电阻模块上的电压。其中，电流源由专门的引脚从ADC芯片上输出，无需从复用器引脚配置输出，但是需要主控MCU去配置ADC芯片的激励电源引脚的寄存器，才能让其有效输出相应的电流。
所述控制单元，用于根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开；以及，所述控制单元，还用于确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开。
具体地，图2为三线热电阻烧毁监测电路的结构示意图。如图2所示，三线热电阻烧毁监测电路，包括：ADC芯片和MCU。ADC芯片，具有复用器、多路复用寄存器、以及电流源寄存器。接口采样电路，经ADC芯片后，与MCU相连。
图3为三线热电阻烧毁监测电路的导线1、导线3的断线电流流向示意图，图4为三线热电阻烧毁监测电路的导线2的断线电流流向示意图。参见图2、图3和图4所示的例子，接口采样电路，设置在热电阻电路与ADC芯片之间。
本发明的方案提出的一种具备烧毁监测功能的高精度热电阻采集方案，通过单模数转换芯片电路(即单个ADC芯片)，配合软件控制逻辑，实现热电阻采集通道的烧毁监测，不增加额外的监测电路；从而，能够在线排查热电阻采集装置的线路故障，使得热电阻采集装置的维护和故障排查的难度得以降低，精度高，且电路结构简单、成本低。这样，本发明的方案，采用全新的具备烧毁监测功能的热电阻采集方案，通过单个ADC芯片监测热电阻的接口采样电路的外部电压，实现热电阻的采集端口的烧毁监测功能，简化了相关方案中的热电阻采集电路，解决当下具备烧毁监测功能的热电阻采集方案过于复杂、成本较高的问题，有效消除引线电阻误差问题，避免了外部的干扰引入(如外围引线损耗和外部噪声串扰)的问题，增强了监测数据的可靠性，且成本低、体积小。
在一些实施方式中，所述两根以上导线，包括：第一导线、第二导线和第三导线，第一导线如导线1，第二导线如导线2，第三导线导线如导线3；所述接口采样单元的采样端口，包括：所述接口采样单元的第一接线端子、所述接口采样单元的第二接线端子和所述接口采样单元的第三接线端子，如接口采样电路的第一接线端子、第二接线端子和第三接线端子。
其中，所述热电阻的第一连接端，经所述第一导线后连接至所述接口采样单元的第一接线端子；所述热电阻的第二连接端，经所述第二导线后连接至所述接口采样单元的第二接线端子；所述热电阻的第二连接端，还经所述第三导线后连接至所述接口采样单元的第三接线端子。
具体地，在图3和图4所示的例子中，热电阻电路，包括：热电阻RTD。热电阻RTD的第一连接端，经导线1(如Lead1)连接至接口采样电路的第一接线端子；热电阻RTD的第二连接端，经导线2(如Lead2)连接至接口采样电路的第二接线端子；电阻RTD的第二连接端，还经导线3(如Lead3)连接至接口采样电路的第三接线端子。
在一些实施方式中，所述接口采样单元，还包括：第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、第四电阻模块、第五电阻模块和偏置电阻模块，第一电阻模块如电阻R1、第二电阻模块如电阻R2、第三电阻模块如电阻R3、第四电阻模块如电阻R4、第五电阻模块如电阻R5和偏置电阻模块如电阻RBIAS。
其中，所述接口采样单元的第一接线端子，经所述基准电阻模块和所述第一电阻模块后，与所述ADC单元的第一引脚相连；其中，所述ADC芯片的第一引脚，如IDAC1引脚。所述基准电阻模块和所述第一电阻模块的公共端，经所述第二电阻模块后，与所述ADC单元的第二引脚相连；其中，所述ADC芯片的第二引脚，如REEP引脚。所述接口采样单元的第一接线端子，还经所述第三电阻模块后，与所述ADC单元的第三引脚相连；其中，所述ADC芯片的第三引脚，如REEN引脚。所述接口采样单元的第一接线端子，还经所述第四电阻模块后，与所述ADC单元的第四引脚相连；其中，所述ADC芯片的第四引脚，如AINP引脚。所述接口采样单元的第二接线端子，经所述第五电阻模块后，与所述ADC单元的第五引脚相连；其中，所述ADC芯片的第五引脚，如AINN引脚。所述接口采样单元的第二接线端子，还与所述ADC单元的第六引脚相连。其中，所述ADC芯片的第五引脚，如AINN引脚。
优选地，所述接口采样单元，还包括：第一电容模块、第二电容模块、第三电容模块、第四电容模块、第五电容模块和第六电容模块，第一电容模块、第二电容模块、第三电容模块、第四电容模块、第五电容模块和第六电容模块。
其中，所述第二电容模块和所述第三电容模块串联后，与所述第一电容模块并联在所述ADC单元的第二引脚的连接线与所述ADC单元的第三引脚的连接线之间；所述第五电容模块和所述第六电容模块串联后，与所述第四电容模块并联在所述ADC单元的第四引脚的连接线与所述ADC单元的第五引脚的连接线之间。
具体地，在图3和图4所示的例子中，接口采样电路，包括：基准电阻RREF，偏置电阻RBIAS，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6。
其中，ADC芯片的IDAC1引脚，经电阻R1后连接至采样电阻RREF的第一连接端；采样电阻RREF的第二连接端，连接至接口采样电路的第一接线端子。采样电阻RREF的第一连接端，还连接至电阻R2的第一连接端；电阻R2的第二连接端，连接至ADC芯片的REFP引脚。电阻R2的第二连接端，经电容C1后，连接至电阻R3的第二连接端；电容C2与电容C3串联后，与电容C1并联。采样电阻RREF的第二连接端，连接至电阻R3的第一连接端；电阻R3的第二连接端，还连接至ADC芯片的REFN引脚。
接口采样电路的第一接线端子，还与电阻R4的第一连接端相连；电阻R4的第二连接端，经电容C4后与电阻R5的第二连接端相连；电容C5和电容C6串联后，与电容C4并联。电阻R4的第二连接端，还与ADC芯片的引脚AINP相连。接口采样电路的第二接线端子，与电阻R5的第一连接端相连；电阻R5的第二连接端，还与ADC芯片的引脚AINN相连；接口采样电路的第二接线端子，还与ADC芯片的IDAC2引脚相连。接口采样电路的第三接线端子，经偏置电阻RBIAS后，接地。
在一些实施方式中，在所述ADC单元中，在所述复用器中，还设置有增益放大模块，如FPG；所述复用器中配置的两个以上采样通道，包括：第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道和第六通道。
其中，所述双激励电流源中的第一激励电流源，经所述复用器中配置的第一通道后，与所述ADC单元的第一引脚相连。所述基准电压监测器的第一监测端，经所述复用器中配置的第二通道后，与所述ADC单元的第二引脚相连；所述基准电压监测器的第二监测端，经所述复用器中配置的第三通道后，与所述ADC单元的第三引脚相连；所述基准电压监测器的输出端，与所述控制单元的输入端相连。所述增益放大模块的第一输入端，经所述复用器中配置的第四通道后，与所述ADC单元的第四引脚相连；所述增益放大模块的第二输入端，经所述复用器中配置的第五通道后，与所述ADC单元的第五引脚相连；所述增益放大模块的输出端，与所述控制单元的输入端相连。所述双激励电流源中的第二激励电流源，经所述复用器中配置的第六通道后，与所述ADC单元的第六引脚相连。
具体地，在图3和图4所示的例子中，ADC芯片，包括：复用器Mux，激励源IDAC1和激励源IDAC2，基准电压监视器(即VREF monitor)，增益放大器FGA，以及引脚AVDD、引脚IDAC1、引脚REFP、引脚REFN、引脚AINP、引脚AINN、引脚IDAC2和引脚AVSS。
其中，引脚AVDD，与引脚IDAC1相连。激励源IDAC1，经复用器Mux的第一通道后，连接至引脚IDAC1。基准电压监视器的第一连接端，经复用器Mux的第二通道后，连接至引脚REFP。基准电压监视器的第二连接端，经复用器Mux的第三通道后，连接至引脚REFN。增益放大器FGA的第一连接端，经复用器Mux的第四通道后，连接至引脚AINP。增益放大器FGA的第二连接端，经复用器Mux的第五通道后，连接至引脚AINN。激励源IDAC2，经复用器Mux的第六通道后，连接至引脚IDAC2。引脚AVSS，接地。
在一些实施方式中，所述控制单元根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开，包括：
所述控制单元，具体还被配置为判断所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压是否为设定电压范围内的电压。
所述控制单元，具体还被配置为若是，则确定所述第一导线或所述第三导线已断开，并发出所述第一导线或所述第三导线已断开的提醒消息。
具体地，如图3所示，三线热电阻高侧基准采集电路，由于本发明的方案采用双激励电流源(即激励源IDAC1和激励源IDAC2)，当导线1(如Lead1)或导线3(如Lead3)发生断线时，激励源IDAC1的回路被截断，导致没有电流流经基准电阻RREF，那么基准电压VREF的电压为零，基准电压VREF的采集引脚监测到的电压接近零电压。那么通过MCU读取ADC芯片的基准电压引脚采集的值，在MCU端进行数据判断，正常工作时当基准电压采集值为零时，输出高电平给上位机的显示器，判定为烧毁状态，上位机的显示器显示报警信息给用户。
在一些实施方式中，所述控制单元，确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开，包括：
所述控制单元，具体还被配置为在所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压中，包含有正端电压和负端电压；确定所述正端电压是否小于所述负端电压；其中，所述正端电压如电压VAINP(断线)，所述负端电压如电压VAINN(断线)。
所述控制单元，具体还被配置为若确定所述正端电压小于所述负端电压，则确定所述第二导线已断开。
具体地，激励电流源IDAC2的电流，仍通过图3电流路径经由偏置电阻RBIAS流向地面，形成完整的回路，并且不影响基准电压监视器观察到的结果，但是在三线热电阻高侧基准采集电路中基准电压监视器无法监测到导线2的断线，如图4所示，激励电流源IDAC1的电流仍然流过基准电阻RREF，并形成完整回路，因此基准电压监视器无法监测出故障电压差异，所以这就需要使用测量结果的变化来监测导线2的中断。在使用三线热电阻高侧基准采集电路中基准电阻RREF、双激励电流源(即激励源IDAC1和激励源IDAC2)的三线RTD系统的正常工作条件下，预计在引脚AINP、引脚AINN采集到的电压如下：
VAINP (无断线)＝IIDAC1·(RRTD+RLEAD1+RLEAD3+RBIAS)+IIDAC2·(RLEAD3+RBIAS) (1)；
VAINN (无断线)＝IIDAC1·(RLEAD3+RBIAS)+IIDAC2·(RLEAD2+RLEAD3+RBIAS) (2)。
引脚AINP和引脚AINN之间产生的差分电压VIN(无断线)由公式3给出，假设RLEAD1＝RLEAD2＝RLEAD3和IIDAC1＝IIDAC2：
VIN (无断线)＝VAINP-VAINN＝IIDAC1·RRTD (3)。
其中，VAINP(无断线)是导线2未断线时引脚AINP的电压，VAINN(无断线)是导线2未断线时引脚AINN的电压，IIDAC1是引脚IDAC1处的电流，IIDAC2是引脚IDAC2处的电流，RRTD是热电阻RTD的阻值，RLEAD1是导线1的阻值，RLEAD3是导线3的阻值，RLEAD2是导线2的阻值，RBIAS是偏置电阻RBIAS的阻值。
因此，在没有故障来改变电路操作的情况下，AINP处的电压总是大于AINN，因为IDAC电流只向一个方向流动。所以，正常的操作条件总是会产生一个正的输出代码。相比之下，导线2的中断消除了激励源IDAC2的接地路径，迫使激励源IDAC2的电流进入高阻抗模拟输入引脚AINN。高阻抗充当了一个开路电路，当IDAC电路试图保持恒定电流时，它提高了引脚AINN上的电压水平。最终，该电压被驱动到正电源(AVDD)，这样引脚AINN现在也大约在AVDD。此外，由于激励源IDAC2不再能够通过RLEAD3和RBIAS，引脚AINP的电压实际上已经降低，导致引脚AINP的绝对电压由方程4：
VAINP (断线)＝IDAC1·(RRTD+RLEAD1+RLEAD3+RBIAS) (4)。
其中，VAINN(断线)是导线2未断线时引脚AINN的电压。VAINP(断线)是导线2断线时引脚AINP的电压。
如果引脚AINN拉到AVDD引脚，引脚AINP的电压幅度降低，引脚AINN的电压VAINN(断线)大于引脚AINP的电压VAINP(断线)，导致负输出代码。MCU接收到该负电压数值后，软件通过与阈值电压进行比较，进而确定故障信号，输出高电平给上位，判定为烧毁状态，上位显示器显示报警信息给用户。
并且由于采用的高侧RREF的双IDAC三线RTD系统，不需要切换到ADC内部参考或改变IDAC电流大小，任何一种监测方案都不需要单独的诊断测量，允许在不中断精确RTD测量的情况下进行断线监测。该方案不涉及外围的监测电路和运放电路来通过监测三线热电阻电压值，只需要电路方案固有的采集引脚，端子信号进行采集，软件内部设计阈值电压进行逻辑判定即可实现烧毁监测功能，有效的减少的多余器件和引线带来的精度误差损耗，并且采用高侧基准的热电阻采集电路还能有效消除引线电阻误差，系统整体精度得到极大的保证。
采用本发明的技术方案，本发明的方案，通过在热电阻的接口采样电路的外部设置单个ADC芯片和MCU，在单个ADC芯片中配置双激励电流源、复用器、基准电压监测器和增益放大器，针对热电阻与接口采样电路之间的两根以上导线，使双激励电流源与接口采样电路中的基准电阻、以及热电阻构成回路，利用单个ADC芯片上与基准电阻对应的采集通道，通过基准电压监测器监测基准电阻上的电压，根据监测到的基准电阻上的电压判断两根以上导线中是否有一部分导线断开；通过单个ADC芯片上与热电阻对应的采集通道，监测与热电阻对应的采集通道的电压差，根据该电压差判断两根以上导线中是否有另一部分导线断开，通过单模数转换芯片电路(即单个ADC芯片)，配合软件控制逻辑，实现热电阻采集通道的烧毁监测，不增加额外的监测电路，监测方式简便，且成本低、体积小。
根据本发明的实施例，还提供了对应于热电阻的温度采集和故障监测装置的一种热电阻的温度采集和故障监测装置的控制方法，如图6所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该热电阻的温度采集和故障监测装置的控制方法可以包括：步骤S110至步骤S140。
在步骤S110处，对所述ADC单元进行配置，具体包括：配置所述ADC单元中的寄存器，打开所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道，启动所述双激励电源。
在步骤S120处，获取根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，并获取所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压。
在步骤S130处，根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开。
在步骤S140处，确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开。
具体地，图5为三线热电阻烧毁监测电路的监测方法的流程示意图。如图5所示，三线热电阻烧毁监测电路的监测方法，包括：
步骤1、MCU配置ADC芯片的寄存器(如多路复用寄存器、以及电流源寄存器)，开始测量，执行步骤2。例如：配置基于引脚REFP、引脚REFN的采集数据，监测导线1或导线3是否断开；配置基于引脚IDAC1、引脚AINP、引脚AINN、引脚IDAC2的采集数据，监测导线2是否断开。
步骤2、打开电阻RTD对应的引脚AINP、引脚AINN的采集通道，之后执行步骤3。
步骤3、选择参考输入(如选择基准电阻RREF)，以利用基准电压监视器，测量基准电阻RREF的电压，之后执行步骤4。
步骤4、启用IDAC，如启用激励源IDAC1和/或激励源IDAC2，之后执行步骤5。
步骤5、设置IDAC幅度，如设置激励源IDAC1和激励源IDAC2的幅度，选配启用的IDAC的驱动通道，之后执行步骤6。
步骤6、计算基于步骤1的配置得到的采集数据，输出结果，之后执行步骤7。
步骤7、MCU实时接收数据，与阈值电压之间进行校验，之后执行步骤8。
步骤8、输出故障电平信号给上位机的显示器。
本发明的方案中，涉及到烧毁监测热电阻采集电路方案、基准电压监测方案和通道电压监测软件判定逻辑，不仅限于三线热电阻采集电路，若是其他多种热电阻采集方案所采用的方法一致，都应当视为属于本发明的方案的保护范围。
在本发明的方案提出的具备烧毁监测功能的三线热电阻采集方案中，通过对ADC芯片的基准电压和端口输入电压值进行计算，配合相应的软件设置阈值电压范围，进而判断三线热电阻采集装置的线路是否完好，实现三线热电阻采集装置的断线监测，无需单独测量和模式切换。其中，在三线热电阻采集装置的烧毁监测中，通过对ADC芯片的采集端的电压进行计算和校验，来判断是否开路，实时性更高，响应更快。可见，本发明的方案，采用全新的断线监测功能的热电阻温度采集方案，使故障监测与实际温度测量同时进行，有效消除引线电阻带来的误差，解决相关方案中故障监测的同步性较差的问题，提升监测精度。而且，本发明的方案，采用全新热电阻的烧毁监测方案，可实现在线测量和故障监测同时进行，无需进行烧毁监测功能模式切换，提高了采集效率和故障检出率。
在一些实施方式中，在所述两根以上导线包括第一导线、第二导线和第三导线的情况下，步骤S130中根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开的具体过程，参见以下示例性说明。
下面结合图7所示本发明的方法中根据所述基准电阻模块上的电压判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S130中根据所述基准电阻模块上的电压判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开的具体过程，包括：步骤S210至步骤S220。
步骤S210，判断所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压是否为设定电压范围内的电压。
步骤S220，若是，则确定所述第一导线或所述第三导线已断开，并发出所述第一导线或所述第三导线已断开的提醒消息。
具体地，如图3所示，三线热电阻高侧基准采集电路，由于本发明的方案采用双激励电流源(即激励源IDAC1和激励源IDAC2)，当导线1(如Lead1)或导线3(如Lead3)发生断线时，激励源IDAC1的回路被截断，导致没有电流流经基准电阻RREF，那么基准电压VREF的电压为零，基准电压VREF的采集引脚监测到的电压接近零电压。那么通过MCU读取ADC芯片的基准电压引脚采集的值，在MCU端进行数据判断，正常工作时当基准电压采集值为零时，输出高电平给上位机的显示器，判定为烧毁状态，上位机的显示器显示报警信息给用户。
在一些实施方式中，步骤S140中在所述两根以上导线包括第一导线、第二导线和第三导线的情况下，确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开的具体过程，参见以下示例性说明。
下面结合图8所示本发明的方法中根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S140中根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开的具体过程，包括：步骤S310至步骤S320。
步骤S310，在所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压中，包含有正端电压和负端电压；确定所述正端电压是否小于所述负端电压；其中，所述正端电压如电压VAINP(断线)，所述负端电压如电压VAINN(断线)。
步骤S320，若确定所述正端电压小于所述负端电压，则确定所述第二导线已断开。
具体地，激励电流源IDAC2的电流，仍通过图3电流路径经由偏置电阻RBIAS流向地面，形成完整的回路，并且不影响基准电压监视器观察到的结果，但是在三线热电阻高侧基准采集电路中基准电压监视器无法监测到导线2的断线，如图4所示，激励电流源IDAC1的电流仍然流过基准电阻RREF，并形成完整回路，因此基准电压监视器无法监测出故障电压差异，所以这就需要使用测量结果的变化来监测导线2的中断。在使用三线热电阻高侧基准采集电路中基准电阻RREF、双激励电流源(即激励源IDAC1和激励源IDAC2)的三线RTD系统的正常工作条件下，预计在引脚AINP、引脚AINN采集到的电压如下：
VAINP (无断线)＝IIDAC1·(RRTD+RLEAD1+RLEAD3+RBIAS)+IIDAC2·(RLEAD3+RBIAS) (1)；
VAINN (无断线)＝IIDAC1·(RLEAD3+RBIAS)+IIDAC2·(RLEAD2+RLEAD3+RBIAS) (2)。
引脚AINP和引脚AINN之间产生的差分电压VIN(无断线)由公式3给出，假设RLEAD1＝RLEAD2＝RLEAD3和IIDAC1＝IIDAC2：
VIN (无断线)＝VAINP-VAINN＝IIDAC1·RRTD (3)。
其中，VAINP(无断线)是导线2未断线时引脚AINP的电压，VAINN(无断线)是导线2未断线时引脚AINN的电压，IIDAC1是引脚IDAC1处的电流，IIDAC2是引脚IDAC2处的电流，RRTD是热电阻RTD的阻值，RLEAD1是导线1的阻值，RLEAD3是导线3的阻值，RLEAD2是导线2的阻值，RBIAS是偏置电阻RBIAS的阻值。
因此，在没有故障来改变电路操作的情况下，AINP处的电压总是大于AINN，因为IDAC电流只向一个方向流动。所以，正常的操作条件总是会产生一个正的输出代码。相比之下，导线2的中断消除了激励源IDAC2的接地路径，迫使激励源IDAC2的电流进入高阻抗模拟输入引脚AINN。高阻抗充当了一个开路电路，当IDAC电路试图保持恒定电流时，它提高了引脚AINN上的电压水平。最终，该电压被驱动到正电源(AVDD)，这样引脚AINN现在也大约在AVDD。此外，由于激励源IDAC2不再能够通过RLEAD3和RBIAS，引脚AINP的电压实际上已经降低，导致引脚AINP的绝对电压由方程4：
VAINP (断线)＝IDAC1·(RRTD+RLEAD1+RLEAD3+RBIAS) (4)。
其中，VAINN(断线)是导线2未断线时引脚AINN的电压。VAINP(断线)是导线2断线时引脚AINP的电压。
如果引脚AINN拉到AVDD引脚，引脚AINP的电压幅度降低，引脚AINN的电压VAINN(断线)大于引脚AINP的电压VAINP(断线)，导致负输出代码。MCU接收到该负电压数值后，软件通过与阈值电压进行比较，进而确定故障信号，输出高电平给上位，判定为烧毁状态，上位显示器显示报警信息给用户。
并且由于采用的高侧RREF的双IDAC三线RTD系统，不需要切换到ADC内部参考或改变IDAC电流大小，任何一种监测方案都不需要单独的诊断测量，允许在不中断精确RTD测量的情况下进行断线监测。该方案不涉及外围的监测电路和运放电路来通过监测三线热电阻电压值，只需要电路方案固有的采集引脚，端子信号进行采集，软件内部设计阈值电压进行逻辑判定即可实现烧毁监测功能，有效的减少的多余器件和引线带来的精度误差损耗，并且采用高侧基准的热电阻采集电路还能有效消除引线电阻误差，系统整体精度得到极大的保证。
由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述终端的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
采用本实施例的技术方案，通过在热电阻的接口采样电路的外部设置单个ADC芯片和MCU，在单个ADC芯片中配置双激励电流源、复用器、基准电压监测器和增益放大器，针对热电阻与接口采样电路之间的两根以上导线，使双激励电流源与接口采样电路中的基准电阻、以及热电阻构成回路，利用单个ADC芯片上与基准电阻对应的采集通道，通过基准电压监测器监测基准电阻上的电压，根据监测到的基准电阻上的电压判断两根以上导线中是否有一部分导线断开；通过单个ADC芯片上与热电阻对应的采集通道，监测与热电阻对应的采集通道的电压差，根据该电压差判断两根以上导线中是否有另一部分导线断开；从而，通过单个ADC芯片监测热电阻的接口采样电路的外部电压，实现热电阻的采集端口的烧毁监测功能，能够在线排查热电阻采集装置的线路故障，使得热电阻采集装置的维护和故障排查的难度得以降低，精度高，且电路结构简单、成本低。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种热电阻的温度采集和故障监测装置，其特征在于，包括：接口采样单元、ADC单元和控制单元；所述热电阻，通过两根以上导线，与所述接口采样电路的采样端口相连；所述接口采样电路的引脚端口，与所述ADC单元的通道引脚相连；其中，
所述接口采样单元，包括：基准电阻模块；
在所述ADC单元中，设置有双激励电流源、复用器、基准电压监测器；在所述复用器中，配置有两个以上采集通道；
所述双激励电流源，在所述控制单元已配置所述ADC单元的激励电源引脚的寄存器的情况下，由所述ADC单元上输出，并通过所述复用器中配置的两个以上采样通道中的一部分采集通道，与所述基准电阻模块和所述热电阻构成回路；所述基准电压监测器，通过所述复用器中配置的两个以上采样通道中的另一部分采集通道，监测所述基准电阻模块上的电压；
所述控制单元，用于根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开；以及，
确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开。
2.根据权利要求1所述的热电阻的温度采集和故障监测装置，其特征在于，所述两根以上导线，包括：第一导线、第二导线和第三导线；所述接口采样单元的采样端口，包括：所述接口采样单元的第一接线端子、所述接口采样单元的第二接线端子和所述接口采样单元的第三接线端子；其中，
所述热电阻的第一连接端，经所述第一导线后连接至所述接口采样单元的第一接线端子；
所述热电阻的第二连接端，经所述第二导线后连接至所述接口采样单元的第二接线端子；
所述热电阻的第二连接端，还经所述第三导线后连接至所述接口采样单元的第三接线端子。
3.根据权利要求2所述的热电阻的温度采集和故障监测装置，其特征在于，所述接口采样单元，还包括：第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、第四电阻模块、第五电阻模块和偏置电阻模块；其中，
所述接口采样单元的第一接线端子，经所述基准电阻模块和所述第一电阻模块后，与所述ADC单元的第一引脚相连；
所述基准电阻模块和所述第一电阻模块的公共端，经所述第二电阻模块后，与所述ADC单元的第二引脚相连；
所述接口采样单元的第一接线端子，还经所述第三电阻模块后，与所述ADC单元的第三引脚相连；
所述接口采样单元的第一接线端子，还经所述第四电阻模块后，与所述ADC单元的第四引脚相连；
所述接口采样单元的第二接线端子，经所述第五电阻模块后，与所述ADC单元的第五引脚相连；
所述接口采样单元的第二接线端子，还与所述ADC单元的第六引脚相连。
4.根据权利要求3所述的热电阻的温度采集和故障监测装置，其特征在于，所述接口采样单元，还包括：第一电容模块、第二电容模块、第三电容模块、第四电容模块、第五电容模块和第六电容模块；其中，
所述第二电容模块和所述第三电容模块串联后，与所述第一电容模块并联在所述ADC单元的第二引脚的连接线与所述ADC单元的第三引脚的连接线之间；
所述第五电容模块和所述第六电容模块串联后，与所述第四电容模块并联在所述ADC单元的第四引脚的连接线与所述ADC单元的第五引脚的连接线之间。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的热电阻的温度采集和故障监测装置，其特征在于，在所述ADC单元中，在所述复用器中，还设置有增益放大模块；所述复用器中配置的两个以上采样通道，包括：第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道和第六通道；其中，
所述双激励电流源中的第一激励电流源，经所述复用器中配置的第一通道后，与所述ADC单元的第一引脚相连；
所述基准电压监测器的第一监测端，经所述复用器中配置的第二通道后，与所述ADC单元的第二引脚相连；所述基准电压监测器的第二监测端，经所述复用器中配置的第三通道后，与所述ADC单元的第三引脚相连；所述基准电压监测器的输出端，与所述控制单元的输入端相连；
所述增益放大模块的第一输入端，经所述复用器中配置的第四通道后，与所述ADC单元的第四引脚相连；所述增益放大模块的第二输入端，经所述复用器中配置的第五通道后，与所述ADC单元的第五引脚相连；所述增益放大模块的输出端，与所述控制单元的输入端相连；
所述双激励电流源中的第二激励电流源，经所述复用器中配置的第六通道后，与所述ADC单元的第六引脚相连。
6.根据权利要求2所述的热电阻的温度采集和故障监测装置，其特征在于，所述控制单元根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开，包括：
判断所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压是否为设定电压范围内的电压；
若是，则确定所述第一导线或所述第三导线已断开，并发出所述第一导线或所述第三导线已断开的提醒消息。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的热电阻的温度采集和故障监测装置，其特征在于，所述控制单元，确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开，包括：
在所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压中，包含有正端电压和负端电压；确定所述正端电压是否小于所述负端电压；
若确定所述正端电压小于所述负端电压，则确定所述第二导线已断开。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述的热电阻的温度采集和故障监测装置的控制方法，其特征在于，包括：
配置所述ADC单元中的寄存器，打开所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道，启动所述双激励电源；
获取根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，并获取所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压；
根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开；
确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开。
9.根据权利要求8所述的热电阻的温度采集和故障监测装置的控制方法，其特征在于，在所述两根以上导线包括第一导线、第二导线和第三导线的情况下，根据所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压，判断所述两根以上导线中是否有一部分导线断开，包括：
判断所述基准电压监测器监测到的所述基准电阻模块上的电压是否为设定电压范围内的电压；
若是，则确定所述第一导线或所述第三导线已断开，并发出所述第一导线或所述第三导线已断开的提醒消息。
10.根据权利要求8或9所述的热电阻的温度采集和故障监测装置的控制方法，其特征在于，在所述两根以上导线包括第一导线、第二导线和第三导线的情况下，确定所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压，并根据与所述热电阻对应的两个采集通道的电压判断所述两根以上导线中是否有另一部分导线断开，包括：
在所述复用器中配置的两个以上采集通道中与所述热电阻对应的两个采集通道的电压中，包含有正端电压和负端电压；确定所述正端电压是否小于所述负端电压；
若确定所述正端电压小于所述负端电压，则确定所述第二导线已断开。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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