CN214200424U - 一种四线制温度采集和自校验电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种四线制温度采集和自校验电路，包括恒流源产生电路、恒流源检测电路、第一运放调理电路、第二运放调理电路、四线制温度采集单元和ADC数据转换和通信控制单元；ADC数据转换和通信控制单元包括输出和输入参考基准电压VREF的ADC转换芯片A3，VREF经恒流源产生电路输出恒定电流I_TEMP流经采样电阻R10和四线制温度采集单元，采样电阻R10两端产生电压进入恒流源检测电路输出电压TEMP_V到ADC转换芯片A3。可提高测温精度、检测各电路电压的准确性，在一侧故障的情形下保证系统工作正常。
Description
技术领域
本实用新型属于储能电池管理系统中的温度采集技术领域，具体涉及一种四线制温度采集和自校验电路。
背景技术
现有储能电池管理系统中的温度采集一般采用在热电阻的根部两端各连接两根导线的四线制方式，其中两根引线为热电阻提供恒定电流，以把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引出，并连接到控制单元，从而获取温度数据。这种四线制测温可完全消除热电阻引线的电阻影响。
但是现有四线制温度采集技术有一定的局限性，不能实现远距离温度数据传输；并且没有考虑到恒流源的校验和温度检测电路的冗余问题，不能实现温度数据的精确测量，一旦出现故障系统无法正常工作，影响工作效率。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种四线制温度采集和自校验电路，可以提高测温精度，增加电路自校验保证温度采集数据的准确性，可以长距离温度数据传输。
为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：
一种四线制温度采集和自校验电路，包括恒流源产生电路、恒流源检测电路、第一运放调理电路、第二运放调理电路、四线制温度采集单元和ADC数据转换和通信控制单元；所述ADC数据转换和通信控制单元包括输出和输入参考基准电压VREF的ADC转换芯片A3，所述参考基准电压VREF经恒流源产生电路输出恒定电流I_TEMP，所述恒定电流I_TEMP流经采样电阻R10和四线制温度采集单元，采样电阻R10两端产生电压进入恒流源检测电路输出电压TEMP_V到ADC数据转换和通信控制单元；所述四线制温度采集单元包括四线制测温元件RT，当所述恒定电流I_TEMP流经四线制测温元件RT，四线制测温元件RT两端产生电压分别输入第一运放调理电路和第二运放调理电路，所述第一运放调理电路和第二运放调理电路分别输出稳定电压TEMP_VA和TEMP_VB到ADC数据转换和通信控制单元。
进一步的，ADC数据转换和通信控制单元还包括与ADC转换芯片A3通信连接的MCU单元。通过ADC自带的通信方式获取温度的电压值，并传输给MCU控制单元，有利于长距离温度数据传输。
进一步的，参考基准电压VREF、电压TEMP_V、稳定电压TEMP_VA和TEMP_VB输入到ADC转换芯片A3的采集通道，并通过通信连接与MCU控制单元数据交互。当VREF、TEMP_V、TEMP_VA和TEMP_VB四路电压输入ADC数据转换和通信控制单元中的ADC转换芯片A3后，被转换为通信信号，从而被MCU控制单元获取，并运算得出实际的温度值。
进一步的，通信连接包括SPI通信。SPI仅为一种通信方式，也可以选用其他通信方式，如选用带I2C或其他通信方式的电压采集芯片，功能可扩展到不仅仅用于温度数据采集。
进一步的，四线制温度采集单元还包括防止四线制测温元件RT两端产生的电压超限的TVS二极管V2，以及防止测温元件RT两端对地产生的电压超限的TVS二极管V1和TVS二极管V3。当I_TEMP流经四线制温度采集单元中的测温元件RT时，RT两端产生的电压由TVS管V2防止超限，RT两端对地产生的电压分别由TVS管V1和V3防止超限，以免损坏后级电路。
进一步的，恒流源产生电路包括由运放A1B组成的运放调理电路。恒流源产生电路中的参考基准电压VREF由ADC芯片A3产生，该基准电压VREF经A1B组成的运放调理电路后，输出恒定电流I_TEMP，该恒流源将流经采样电阻R10和测温元件RT。
进一步的，恒流源检测电路包括滤波电路和由运放A2B组成的运放调理电路。采样电阻R10两端将产生的电压进入恒流源检测电路，恒流源检测电路可滤除绝大部分高频噪声，输出稳定电压TEMP_V。恒流源产生电路输出的电流恒定不变时，TEMP_V也不变，ADC检测的TEMP_V电压值准确，则判定电流源输出正常，恒流源检测电路工作正常；若TEMP_V发生改变，可判定电流源存在故障或恒流源检测电路存在故障，应立即检修。
进一步的，第一运放调理电路和第二运放调理电路的电路结构和电气参数相同，包括运放调理电路和滤波电路。冗余设计检测测温元件两端电压的准确性，并在确定一侧运放调理电路已故障的情形下，仍能通过另一侧运放调理电路正常传输温度数据，保证系统工作正常。当TEMP_V恒定不变时，第一运放调理电路和第一运放调理电路输出的TEMP_VA和TEMP_VB经ADC检测后电压值相同，则判定温度测量有效。若TEMP_VA和TEMP_VB电压值不同或相差较大，可判定温度测量无效，并根据实际情况选择正确的数据参与计算，并需立即检修损坏元件。
进一步的，恒流源检测电路、第一运放调理电路和第二运放调理电路后级分别增设有滤波元件。恒流源检测电路后级增设滤波元件C4，输入ADC的电压TEMP_V的波形更平稳，效果更佳；第一运放调理电路和第二运放调理电路后级分别增设滤波元件C9和C16，使输入ADC的电压TEMP_VA和TEMP_VB的波形更平稳，效果更佳。
与现有的技术相比，本实用新型的优点在于：
1.本实用新型一种四线制温度采集和自校验电路通过选用四线制测温元件可完全消除线阻对测温准确度的影响；且通过冗余设计检测测温元件两端电压的准确性，并在确定一侧运放调理电路已故障的情形下，仍能通过另一侧运放调理电路正常传输温度数据，保证系统工作正常；
2.通过ADC转换芯片既输出又输入基准电压的方式，校验基准电压的准确性，以确保后级恒流源的准确度；
3.通过增设采样电阻，捕获恒流源电流值，并滤波调理后输出到ADC，可增加对恒流源的监控及准确度的检测；
4.通过ADC自带的SPI通信方式获取温度的电压值，并传输给MCU控制单元，有利于长距离温度数据传输；
5.本实用新型整体系统电路可制作成模块电路，预留出SPI通信接口，可与带SPI通信的控制系统进行数据交互，有利于模块的功能扩展和推广应用。
本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本实用新型四线制温度采集和自校验电路的电路图；
图中，恒流源产生电路1，恒流源检测电路2，第一运放调理电路3，第二运放调理电路4，四线制温度采集单元5，ADC数据转换和通信控制单元6。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，一种四线制温度采集和自校验电路，主要包括六个子电路单元，分别是恒流源产生电路1、恒流源检测电路2、第一运放调理电路3、第二运放调理电路4、四线制温度采集单元5和ADC数据转换和通信控制单元6，各电路单元彼此校正和监测，保证温度采集数据的准确性。所述ADC数据转换和通信控制单元6包括输出和输入参考基准电压VREF的ADC转换芯片A3，所述参考基准电压VREF经恒流源产生电路1输出恒定电流I_TEMP，所述恒定电流I_TEMP流经采样电阻R10和四线制温度采集单元5，此时采样电阻R10两端产生电压进入恒流源检测电路2输出电压TEMP_V到ADC数据转换和通信控制单元6；所述四线制温度采集单元5包括四线制测温元件RT，当所述恒定电流I_TEMP流经四线制测温元件RT，四线制测温元件RT两端产生电压分别输入第一运放调理电路3和第二运放调理电路4，所述第一运放调理电路3和第二运放调理电路4分别输出稳定电压TEMP_VA和TEMP_VB到ADC数据转换和通信控制单元6。
本实施例恒流源产生电路1中的参考基准电压VREF由ADC芯片A3产生，该基准电压VREF经运放A1B组成的运放调理电路后，输出的电流为I_TEMP。根据虚短虚断原理可知，
本实施例中R1＝R8＝49.9KΩ，R2＝R9＝10KΩ,R3＝R4＝100Ω,电阻精度均为0.1％，VREF＝2.5V，运放A1B为OP2177,故I_TEMP约等于5.06mA。
本实施例恒流源将流经采样电阻R10和四线制测温元件RT。
当I_TEMP流经采样电阻R10时，在电阻两端将产生电压，此电压将进入恒流源检测电路2，而恒流源检测电路2是由滤波电路和运放A2B组成的运放调理电路构成，此时输出的电压为TEMP_V。根据虚短虚断原理可知，
本实施例中R10＝499Ω，R5＝R6＝R12＝R13＝200KΩ，R7＝R14＝1MΩ，电阻精度均为0.1％，运放A2B为OP2177,故TEMP_V＝6.312V。
其中C3＝47nF，该电路EMI滤波系数为：
恒流源检测电路2的滤波电路可滤除绝大部分高频噪声。后级又增设滤波元件C4，输入ADC的电压TEMP_V的波形更平稳，效果更佳。
当I_TEMP流经四线制温度采集单元5中的四线制测温元件RT时，四线制测温元件RT两端产生的电压由TVS管V2防止超限，RT两端对地产生的电压分别由TVS管V1和V3防止超限，以免损坏后级电路。
本实施例中V1和V3均为SMBJ11CA，V2为SMBJ16CA，即测温元件RT两端产生的电压极限值为16V，两端对地极限值为11V。可根据具体需要具体设置TVS管。
测温元件RT两端流入恒定电流I_TEMP后，产生的电压分别加到第一运放调理电路3和第二运放调理电路4两端，经调理后分别输出稳定电压TEMP_VA和TEMP_VB。
根据虚短虚断原理可知，
本实施例中R15＝R16＝R19＝R20＝100KΩ,R17＝R21＝1MΩ，电阻精度均为0.1％，C5＝C8＝1nF，C7＝100nF，运放A1C为OP2177,故TEMP_VA＝RT*5.06mA*5＝0.0253*RT。
本实施例第一运放调理电路3和第二运放调理电路4的元件对应相同，电气参数完全相同，电路结构完全一致。故TEMP_VB＝RT*5.06mA*5＝0.0253*RT。
第一运放调理电路3和第二运放调理电路4的EMI系数为：
第一运放调理电路3和第二运放调理电路4的滤波电路均可滤除绝大部分高频噪声。后级又分别增设滤波元件C9和C16，使输入ADC的电压TEMP_VA和TEMP_VB的波形更平稳，效果更佳。
当参考基准电压VREF、电压TEMP_V、稳定电压TEMP_VA和TEMP_VB四路电压输入ADC数据转换和通信控制单元6中的ADC转换芯片A3后，被转换为通信信号，从而被MCU控制单元获取，并运算得出实际的温度值。本实施例采用SPI通信信号，SPI仅为一种通信方式，也可以选用其他通信方式，如选用带I2C或其他通信方式的电压采集芯片，功能可扩展到不仅仅用于温度数据采集。
其中ADC转换芯片A3为AD7324BRUZ，12位ADC。经MCU通信控制，ADC转换芯片A3的5引脚可输出基准电压VREF，并输出到恒流源产生电路1中以产生恒流源，形成一个闭环检测电路。
四路电压均输入ADC的采集通道，并通过SPI通信实现与MCU等控制单元实现数据交互，可较大程度的实现远距离温度数据传输，并可制作成测温模块，对接通信接口即可实现功能扩展。
本实用新型四线制温度采集和自校验电路的自校验方法为：
1.参考基准电压VREF既为ADC输出又为ADC输入，可进行电压准确性判定，与电压TEMP_V互相校正检测：当VREF恒定时，ADC检测的VREF电压值准确，则判定ADC工作正常。
2.此时恒流源产生电路1输出的电流应当恒定不变，故电压TEMP_V应当不变，ADC检测的电压TEMP_V电压值准确，则判定电流源输出正常，恒流源检测电路2工作正常；
若电压TEMP_V发生改变，可判定电流源存在故障或恒流源检测电路2存在故障，应立即检修。
3.稳定电压TEMP_VA和TEMP_VB互为冗余设计，可互相校正数据：当TEMP_V恒定不变时，运放调理电路3和运放调理电路4输出的TEMP_VA和TEMP_VB经ADC检测后电压值相同，则判定温度测量有效；
若TEMP_VA和TEMP_VB电压值不同或相差较大，可判定温度测量无效，并根据实际情况选择正确的数据参与计算，并需立即检修损坏元件。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种四线制温度采集和自校验电路，其特征在于，包括恒流源产生电路(1)、恒流源检测电路(2)、第一运放调理电路(3)、第二运放调理电路(4)、四线制温度采集单元(5)和ADC数据转换和通信控制单元(6)；
所述ADC数据转换和通信控制单元(6)包括输出和输入参考基准电压VREF的ADC转换芯片A3，所述参考基准电压VREF经恒流源产生电路(1)输出恒定电流I_TEMP，所述恒定电流I_TEMP流经采样电阻R10和四线制温度采集单元(5)，采样电阻R10两端产生电压进入恒流源检测电路(2)输出电压TEMP_V到ADC数据转换和通信控制单元(6)；
所述四线制温度采集单元(5)包括四线制测温元件RT，所述恒定电流I_TEMP流经四线制温度采集单元(5)，四线制测温元件RT两端产生电压分别输入第一运放调理电路(3)和第二运放调理电路(4)，所述第一运放调理电路(3)和第二运放调理电路(4)分别输出稳定电压TEMP_VA和TEMP_VB到ADC数据转换和通信控制单元(6)。
2.根据权利要求1所述的一种四线制温度采集和自校验电路，其特征在于，所述ADC数据转换和通信控制单元(6)还包括与ADC转换芯片A3通信连接的MCU单元。
3.根据权利要求2所述的一种四线制温度采集和自校验电路，其特征在于，所述参考基准电压VREF、电压TEMP_V、稳定电压TEMP_VA和TEMP_VB输入到ADC转换芯片A3的采集通道，并通过通信连接与MCU控制单元数据交互。
4.根据权利要求3所述的一种四线制温度采集和自校验电路，其特征在于，所述通信连接包括SPI通信。
5.根据权利要求1所述的一种四线制温度采集和自校验电路，其特征在于，所述四线制温度采集单元(5)还包括防止四线制测温元件RT两端产生的电压超限的TVS二极管V2，以及防止测温元件RT两端对地产生的电压超限的TVS二极管V1和TVS二极管V3。
6.根据权利要求1所述的一种四线制温度采集和自校验电路，其特征在于，所述恒流源产生电路(1)包括由运放A1B组成的运放调理电路。
7.根据权利要求1所述的一种四线制温度采集和自校验电路，其特征在于，所述恒流源检测电路(2)包括滤波电路和由运放A2B组成的运放调理电路。
8.根据权利要求1所述的一种四线制温度采集和自校验电路，其特征在于，所述第一运放调理电路(3)和第二运放调理电路(4)的电路结构和电气参数相同，包括运放调理电路和滤波电路。
9.根据权利要求7或8所述的一种四线制温度采集和自校验电路，其特征在于，所述恒流源检测电路(2)、第一运放调理电路(3)和第二运放调理电路(4)后级分别增设有滤波元件。
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