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基于MSC1210的多路高精度溫度采集系統(tǒng)模塊
摘要：介紹了一種以MSC1210作為核心器件的多通道、高精度、快速溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計思路。著重介紹了以MSC1210構(gòu)成的高精度測溫模塊。關(guān)鍵詞：MSC1210 高精度測溫 模塊化 多路測量
在許多傳統(tǒng)行業(yè)中，多路高精度溫度采集系統(tǒng)是不可或缺的。電廠、石化行業(yè)、鋼鐵廠以及制藥廠等企業(yè)使用了大量的各類測溫器件，如熱電阻、熱電偶等，這些器件需要定期校準(zhǔn)；在嚴(yán)格執(zhí)行GMP規(guī)范的制藥廠等企業(yè)，高溫滅菌需要定期進(jìn)行滅菌率的驗(yàn)證；在某些要求進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制的場合，也需要進(jìn)行多點(diǎn)高精度溫度測量。這些工作往往需要一多路高精度測溫系統(tǒng)來完成。
在被測溫度變化緩慢的情況下，可以使用多路掃描開關(guān)配以一個高精度測溫表進(jìn)行多路溫度測量以及數(shù)據(jù)采集。但在溫度測量點(diǎn)數(shù)目較多、被測溫度變化較快的場合，如大量熱電阻、熱電偶的自動計量檢定系統(tǒng)以及高溫滅菌箱自動驗(yàn)證系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的掃描式多路溫度測量系統(tǒng)不無法滿足要求了。近年來，隨著高精度A/D轉(zhuǎn)換器件價格的不斷下降以及A/D轉(zhuǎn)換器件功能的不斷完善，研制廉價的多路、快速、高精度溫度采集系統(tǒng)成為可能。
美國德州儀器公司（TEXAS INSTRUMENTS）新近推出了一種功能很強(qiáng)的帶24位A/D轉(zhuǎn)換器的微處理器MSC1210。MSC1210具有一些增強(qiáng)特性，特別適合測量高精度溫度、壓力傳感器等輸出的微弱信號。
本文介紹以MSC1210作為測量、信號處理以及通訊核心的多路高精度溫度采集系統(tǒng)模塊。該系統(tǒng)測量通道易于擴(kuò)充，溫度測量精度高，可以快速地進(jìn)行多路高精度溫度測量。
圖1 多路高精度測溫系統(tǒng)框架
1 多路高精度測溫系統(tǒng)框架
系統(tǒng)由主機(jī)與多個智能測溫模塊組成。模塊與主機(jī)之間通過光電隔離的SPI接口進(jìn)行通訊，使用帶有CRC糾錯的自定義指令集控制數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)帶有計算機(jī)接口（RS232串口以及USB接口）。系統(tǒng)框架參見圖1。
智能測溫模塊由MSC1210微轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，模塊本身具有完整的信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)修正計算及變換內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)等功能。為了避免外部干擾對A/D轉(zhuǎn)換的影響，SPI接口使用高速光電耦合電路，并采用模塊自帶的穩(wěn)壓電路供電。由于一個模塊只能處理1～4路溫度，因此可以同步進(jìn)行多組模塊的溫度測量，大大加快了多點(diǎn)溫度測量的速度。主機(jī)用來控制測溫模塊，從測溫模塊中讀取溫度數(shù)據(jù)并處理，同時完成人機(jī)接口以及其它功能。視應(yīng)用場合的不同，主機(jī)可以使用多路類型的單片機(jī)，這里選用ATMEL公司的ATmega128。該款CPU采用Harvard流水線結(jié)構(gòu)以及RISC指令，并具有較大程序容量（128KB）的FLASH，在16MHz主頻下可以達(dá)到16MIPS的處理速度。
2 MSC1210的增強(qiáng)功能及使用注意事項(xiàng)
作為智能高精度測溫模塊的核心，MSC1210完成了微弱信號的多路切換、信號緩沖、PGA編程放大、24位∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、信號校準(zhǔn)以及SPI通訊等功能。
MSC1210集成了一個8通道24位∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，采用8051兼容內(nèi)核。與筆者之前使用的ADuC824相比，其有如下增強(qiáng)的功能：
（1）CPU工作頻率可達(dá)33MHz，每條指令只需4個時鐘周期，運(yùn)算速度較快。
（2）采用非常靈活的FLASH與SRAM存儲器配置，，可以對片上FLASH進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)需要設(shè)定程序FLASH與數(shù)據(jù)SRAM所占的比例。該寫次數(shù)可達(dá)一百萬次，數(shù)據(jù)可保存100年。
（3）片上RAM為1280B，有34個高電流驅(qū)動I/O，可以設(shè)外部存儲器的存取時間，使用雙數(shù)據(jù)指針提高存取速度，具有完善的節(jié)電功能，還用雙數(shù)據(jù)指針提高存取速度，具有完善的節(jié)電功能，還有電壓監(jiān)視器、21個中斷源、3個16位定時器計數(shù)器以及內(nèi)部時間間隔計數(shù)器（TIC）。
（4）自帶BOOT ROM，可以調(diào)試使用或在程序中調(diào)用內(nèi)置固化程序，完成在線調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、UART通訊以及讀寫FLASH等工作，方便了編程以及調(diào)試。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測溫模塊硬件框圖
（5）片上24位∑-ΔADC具有一些增強(qiáng)特性：8位輸入通道可以任意配置為單端或差分輸入；有快速、Sinc2、Sinc3三種數(shù)字濾波，同時有自動數(shù)字濾波功能，可以加快A/D轉(zhuǎn)換輸出；帶PGA偏置DAC，可以不引入額外誤差而擴(kuò)大測量范圍；自帶一個32位累加器，可以對ADC輸出數(shù)據(jù)作快速平均處理。
（6）自帶高精度電壓標(biāo)準(zhǔn)，精度為0.2%，漂移為5ppm/℃，可以節(jié)省空間以及器件成本，也可輸出該電壓標(biāo)準(zhǔn)或外接電壓標(biāo)準(zhǔn)。
（7）片上16位PWM，可以作為DAC輸出來源。
（8）增強(qiáng)的SPI接口可以使用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，在DMA方式下，可以間接尋址RAM，設(shè)定多達(dá)128B的發(fā)送接收FIFO；具有完整的端口驅(qū)動以及發(fā)送接收中斷設(shè)定，適合大批量的數(shù)據(jù)傳輸，同時點(diǎn)用CPU資源較少。
MSC1210功能較強(qiáng)
且易于使用，但因?yàn)槭切缕骷瑓⒖假Y料較少。筆者在使用過程中發(fā)現(xiàn)需要注意如下問題：
（1）MSC1210片內(nèi)FLASH分區(qū)只能通過對HCR0以及HCR1這兩個硬件配置寄存器事先編程來進(jìn)行，在程序運(yùn)行過程中無法設(shè)定或更改分區(qū)比例。在程序運(yùn)行中讀寫FLASH時，要注意讀寫地址與調(diào)試時的地址不同，具體應(yīng)參考存儲器分配表；用戶程序無法直接讀寫FLASH，調(diào)用BOOT ROM中的讀寫函數(shù)來進(jìn)行；與AVR等芯片的EEPROM不同，寫入FLASH之前必須先進(jìn)行擦除操作，BOOT ROM中有可調(diào)和場擦除子程序，可以在匯編或C程序中調(diào)用。
（2）在做A/D轉(zhuǎn)換時，每次更改PGA放大倍數(shù)需要重新校準(zhǔn)，在需要頻繁切換輸入通道的場合，建議設(shè)定特殊寄存器ADCON1的SM1～0位為00，即進(jìn)入自動模式數(shù)字濾波。這樣當(dāng)通道切換后，隨著A/D采樣次數(shù)的增強(qiáng)，數(shù)據(jù)濾波依次為快速轉(zhuǎn)換、Sinc2、Sinc3數(shù)字濾波，可以最大限度地提高轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度。
（3）BOOT ROM中固化的程序?qū)τ贛SC1210的編程和調(diào)試非常關(guān)鍵，其中部分可以在用戶程序中直接調(diào)用，完成數(shù)據(jù)采集、UART輸入輸出等重要功能�？梢酝ㄟ^串口或并口進(jìn)行編程。
（4）使用TI提供的下載工具及調(diào)試終端，可以對MSC1210實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。這種調(diào)試會占用UARTO資源，同時輔助中斷的入口地址也有變化，這在編程時需要注意。也可以利用Windows自帶的超級終端進(jìn)行調(diào)試。與TI終端不同，Windows超級終端不能自動初始化MSC1210使之進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，需要人工進(jìn)行調(diào)試復(fù)位。
圖3 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測量以及信號調(diào)理電路
3 高精度測溫模塊的硬件描述
MSC1210最多可以配置4組差分輸入通道：對于標(biāo)準(zhǔn)四線熱電阻的測量，需要兩組通道來分別測量驅(qū)動電流及電壓；對于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測量，如果采用冰點(diǎn)作為冷端補(bǔ)償，需要一組差分通道；如果采用自帶冷端測量，則往往需要另外兩組通道測量冷端熱電阻的溫度。因此，對于標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測量，同一個模塊最多有兩路測溫通道；對于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量，如果用統(tǒng)一的冷端補(bǔ)償，最多可以有4路測溫通道。同一模塊的不測溫通道的切換需要時間穩(wěn)定信號以及重新建立ADC測量輸出，在有速度要求或需要進(jìn)行多值平均的情況下，為了得到較快的測溫速度，每個模塊的測溫路數(shù)會相應(yīng)減少。這里介紹單通道標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測溫模塊，其硬件框圖如圖2所示。
模塊采用獨(dú)立的模擬供電（5V）和數(shù)字供電（3V）。在印制板設(shè)計上，數(shù)字地與模擬地分離，在MSC1210芯片下相連，同樣，為了進(jìn)一步減少外界和數(shù)字電路對模擬電路部分的干擾，SPI接口與外部之間采用高速光電耦合連接。所有的電源以及信號接口采用統(tǒng)一的兩邊插針形式，便于直接插入主機(jī)母板。這里將比較有特色的標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測量以及信號調(diào)理電路繪出，如圖3所示。
在圖3中，分壓電阻R12與R13為運(yùn)算放大器U2提供一個參考電壓，在R10上產(chǎn)生一個恒定的電流，經(jīng)Q1輸出。為了減少高精度低溫漂電阻的使用數(shù)量，R10、R12、R13均采用普通電阻。使用高精度低溫漂電阻Rr作為電流檢測電阻，將輸出電壓信號經(jīng)R2、R3送往MSC1210的一組差分輸入端，恒定電流通過四線標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rs，將產(chǎn)生電壓經(jīng)R4、R5送入MSC1210的另一組差分輸入端，經(jīng)MSC1210進(jìn)行四線法測量電阻的計算，以消除鉑電阻溫度計引線的影響。R2、R3、R4、R5是限流電阻，防止輸入電壓過高損壞MSC1210；D1、R6、C12提供一個參考電壓，使MSC1210有合適的差分電壓輸入。由于使用MSC1210的內(nèi)置電壓標(biāo)準(zhǔn)輸出，電容C9、C10、C11是不可缺少的。MSC1210具有內(nèi)置PGA（1～128），因此無需放大電路即可直接測量微弱信號。
4 高精度測溫模塊軟件的描述
在多路高精度測溫系統(tǒng)中，測溫模塊能獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、擬合修正、分度轉(zhuǎn)換、與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，并通過SPI接口向上位機(jī)（主機(jī)）發(fā)送測量到的溫度數(shù)據(jù)，接收上位機(jī)發(fā)來控制指令，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及校準(zhǔn)操作。與上位機(jī)通訊的指令采用不定長的ASC代碼指令，用不同的信令頭（SOT）代表不同的控制，并有CRC糾錯以保證數(shù)據(jù)正確傳輸，信令有統(tǒng)一的結(jié)束碼（EOT）。
在測溫模塊的MSC1210的程序功能中，分度轉(zhuǎn)換是重要的組成部分，也是耗時較多的計算過程，這里簡要說明一下。
對于高精度溫度測量，需要考慮的一個重要問題是溫度傳感器的選擇。對于熱電阻與熱電偶，有標(biāo)準(zhǔn)傳感器與工業(yè)傳感器之分，這里選擇精度較高的標(biāo)準(zhǔn)傳感器，并根據(jù)ITS-90國際溫標(biāo)以及中國相關(guān)計量檢定規(guī)程進(jìn)行分度轉(zhuǎn)換。
與工業(yè)熱電阻、熱電偶不同，標(biāo)準(zhǔn)熱電阻或熱電偶的分度計算是一個比較復(fù)雜的問題，簡單的查表計算或曲線擬合一般很難達(dá)到分度轉(zhuǎn)換的精度要求。以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計為例，它使用一組規(guī)定的定義固定點(diǎn)和參考函數(shù)以及相應(yīng)的差值函數(shù)內(nèi)插，在0～419.527℃溫區(qū)內(nèi)，溫度t由下列公式確定：
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其中，Wr(t)為參考函數(shù)，Ci與Di為系統(tǒng)，ΔW8（t）為差值函數(shù)，W（t）為電阻比，a8與b8為具體標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的分度系數(shù)，可以通過具體溫度計校準(zhǔn)結(jié)果Wzn、Wsn、W100等參數(shù)計算得到。在選擇了相應(yīng)的熱電阻之后，將該參數(shù)通過SPI接口的通訊控制指令輸入測溫模塊。
可以看到，MCU只有具有較快的運(yùn)算速度，才能在每次ADC輸出數(shù)據(jù)后及時將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，分度計算、誤差修正、
數(shù)值處理以及通訊控制等均由MSC1210完成。修正到上位機(jī)的是測量得到的溫度值，這樣上位機(jī)即使在配置多個測溫模塊的情況下也能從容完成處理工作。
MSC1210是較有特色、功能較強(qiáng)的一種新器件，特別適合于智能變送器、高精度測量儀器儀表等應(yīng)用領(lǐng)域。這套多路高精度溫度采集系統(tǒng)充分利用了MSC1210的新功能、新特性，采用智能測溫模塊與主機(jī)通訊的設(shè)計方式，以較多的成本完成了多點(diǎn)快速溫度測量。筆者使用這套多路高精度溫度采集系統(tǒng)作基礎(chǔ)硬件，配以PC機(jī)的控制軟件，完成了套應(yīng)用于不同場合的自動溫度測量及控制系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用情況良好。
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