帶DAC輸出的多通道溫度采集模塊的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種低成本高精度的通用模擬采集模塊。采用熱電阻實(shí)時(shí)采集多點(diǎn)工控場(chǎng)合的溫度信息，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)將多路測(cè)溫電路與AD芯片相連，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)?；贛odbus通信協(xié)議，通過(guò)RS 485網(wǎng)路與主機(jī)通信，保證模塊的通用性和實(shí)時(shí)性。并設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的高準(zhǔn)確度PWM轉(zhuǎn)DAC電路。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。
關(guān)鍵詞：Modbus；溫度采集；PWM；DAC

    在化工產(chǎn)業(yè)，機(jī)械加工，工業(yè)制造等領(lǐng)域經(jīng)常要考慮到溫度對(duì)測(cè)量或加工的影響，因此對(duì)溫度的測(cè)量和控制就顯得尤為重要。特別在一些環(huán)境惡劣、干擾較強(qiáng)的使用場(chǎng)合，溫度采集裝置的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)。本文針對(duì)上述背景，設(shè)計(jì)了通用多通道檢測(cè)模塊。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
    模塊采用單片機(jī)ATmega48為控制核心，多路恒流源測(cè)溫電路通過(guò)電子開(kāi)關(guān)CD4051與13位A／D轉(zhuǎn)換器MCP3301相連，通過(guò)單片機(jī)控制3／8譯碼器74HC138進(jìn)行通道選擇；模塊通過(guò)基于Modbus通信協(xié)議的RS 485接口與主機(jī)通信；并具有一路PWM轉(zhuǎn)DAC電路。模塊適用于與PLC等主機(jī)連接，各通道實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)保存于各通道的保持寄存器中，當(dāng)接收到主機(jī)讀取命令時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要硬件部分控制電路：MCU、溫度測(cè)量電路、PWM轉(zhuǎn)DAC電路、電源電路和RS 485通信電路。為了避免外連的通信電路影響內(nèi)部測(cè)量電路，提高抗干擾性能，將通信接口電路通過(guò)光藕隔離，且工作電源具有兩路隔離電源，本文采用開(kāi)關(guān)電源，具有效率高、重量輕和體積小的特點(diǎn)，并可兼容交、直流24 V供電。本文在硬件部分主要介紹恒流源熱電阻測(cè)溫電路以及PWM輸入的DAC電路。
2．1 熱電阻溫度測(cè)量電路
    本模塊的熱電阻選用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器。在-50～+600℃中溫范圍內(nèi)，與其他熱敏元件相比，鉑電阻溫度傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、穩(wěn)定性好、抗干擾能力較強(qiáng)。
    鉑電阻測(cè)溫電路主要有兩種：橋式測(cè)溫電路和恒流源式測(cè)溫電路。
    橋式測(cè)溫電路主要是利用調(diào)整電橋的電阻參數(shù)，抵消電橋兩端的電壓波動(dòng)，以突出熱電阻變化引起的電壓，當(dāng)采用三線制時(shí)可以消除引線誤差，但存在非線性誤差和電路相對(duì)復(fù)雜等問(wèn)題。
    恒流源式測(cè)溫電路利用穩(wěn)定電壓給熱電阻以恒定電路流，保證熱電阻上的電壓和其阻值變化成線性關(guān)系的。在保證基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)定的情況下，可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，另外根據(jù)熱電阻和輸出電壓線性關(guān)系，更加有利于溫度的計(jì)算和校正。恒流源式測(cè)溫的基本應(yīng)用電路如圖2所示。

    圖2中虛框部分即為恒流源電路。運(yùn)放U1A將輸入的基準(zhǔn)電壓VREF轉(zhuǎn)換為恒流源，激勵(lì)熱電阻RT。熱電阻兩端電壓，經(jīng)過(guò)U1B運(yùn)放組成的雙端輸入單端輸出放大電路，將信號(hào)放大10倍，即輸出期望的檢測(cè)電壓信號(hào)。該輸出信號(hào)通過(guò)電子開(kāi)關(guān)與A／D轉(zhuǎn)換芯片相連。
    電子開(kāi)關(guān)的通路電阻較小，僅為幾百歐姆，而A／D測(cè)量電路一般呈現(xiàn)高阻態(tài)，其帶來(lái)的誤差可以忽略。
    檢測(cè)精度和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(A／D)的分辨位數(shù)有很大關(guān)系，一般單片機(jī)內(nèi)帶的A／D位數(shù)分辨率較低(ATmega48內(nèi)含10位A／D)，不適合精確測(cè)量，而高分辨率的A／D芯片價(jià)格昂貴。本文兼顧了性能價(jià)格比，采用了外擴(kuò)一片低成本的13位A／D芯片MCP3301。通過(guò)改進(jìn)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果證明可以保證誤差不超過(guò)0．5％。
2．2 PWM轉(zhuǎn)DAC電路
    在電子和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用中，也經(jīng)常需要提供模擬輸出，如變送器和控制器類(lèi)儀器，經(jīng)常需要輸出0～10 V，0～20 mA(或4～20 mA)的直流信號(hào)。高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)芯片或集成了DAC的單片機(jī)價(jià)格昂貴。應(yīng)用單片機(jī)的PWM輸出，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的變換電路實(shí)現(xiàn)DAC，可以大大降低電子設(shè)備的成本。
    通過(guò)一個(gè)低通濾波器就可以把PWM調(diào)制的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)解調(diào)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)從PWM到DAC的轉(zhuǎn)換ATmega48具有16位定時(shí)器的PWM輸出功能，實(shí)現(xiàn)的DAC電路輸出精度基本滿(mǎn)足一般的工業(yè)控制場(chǎng)合。另外在一些環(huán)境惡劣、干擾較強(qiáng)的場(chǎng)合，模擬輸出容易受到干擾，本文通過(guò)使用恒流方式驅(qū)動(dòng)電路來(lái)提高DAC電路的負(fù)載和抗干擾能力。具體原理圖如圖3所示。

    圖3中單片機(jī)輸出的PWM電壓，經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)電源VREF和開(kāi)關(guān)管T1組成的整形電路進(jìn)行整形，在A點(diǎn)的輸出波形為理想的PWM波形，幅值由基準(zhǔn)電源的準(zhǔn)確度得到保證，再經(jīng)過(guò)兩級(jí)阻容濾波和一級(jí)跟隨放大器，在B點(diǎn)得到直流分量，即MCU輸出的調(diào)制PWM波在B點(diǎn)得到解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了DAC功能。可得：
   
    一般PWM轉(zhuǎn)DAC電路到此已經(jīng)完成，本文為了保證更高精度和電路更強(qiáng)的負(fù)載能力，模塊使用了恒流輸出的驅(qū)動(dòng)電路。由于運(yùn)放U2B的C點(diǎn)和D點(diǎn)電位相等，可得：
   
    采用三極管T2提高輸出驅(qū)動(dòng)能力，負(fù)載RL的電流和流過(guò)電阻R9的電流相等，可得：
   
    由式(3)可以看出無(wú)論負(fù)載電阻RL的值如何改變，并不影響DAC輸出的電流值，這樣設(shè)計(jì)的好處是可以方便地更改輸出電阻RL，保證了模擬輸出量值的準(zhǔn)確度，提高了負(fù)載能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件主要由溫度測(cè)量程序和Modbus通信中斷程序組成。
    測(cè)溫程序主要負(fù)責(zé)溫度采集，主要工作在于建立熱電阻溫度和電阻值的分度表，并判斷每路檢測(cè)結(jié)果是否出現(xiàn)溫度是否異常，是則重新測(cè)量。正確的測(cè)量結(jié)果將保存于保持寄存器，等待上位機(jī)讀取。溫度測(cè)量程序流程圖如圖4所示。

    當(dāng)模塊接受到主機(jī)的讀取命令時(shí)，則進(jìn)入通信中斷程序。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于工業(yè)控制上的一種通用通信協(xié)議。主要有兩種通信模式：ASCII和RTU模式。由于在同樣的波特率下，RTU比ASCII能夠傳送更多的數(shù)據(jù)，因此采用RTU模式來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊的MoSbus通信。它的消息幀格式主要有地址、功能碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼構(gòu)成。Modbus協(xié)議的通信中斷程序流程圖如5所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    本模塊采用了AVR單片機(jī)為控制核心，采用外擴(kuò)一片低成本的13位A／D芯片，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)多路測(cè)溫電路。設(shè)計(jì)了一種PWM轉(zhuǎn)DAC電路。基于Modbus通信協(xié)議，通過(guò)RS 485網(wǎng)路與主機(jī)通信。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，通用性好。實(shí)際使用中，在高溫和強(qiáng)干擾環(huán)境下，模塊仍能正常工作。