44由热电偶电压信号计算温度值.DOC

第3章 设计 3.1系统总体设计 如何通过热电偶将温度信号转化为电压信号，再得到正确的数字信号，是本文面临一大难点。得到数字信号后，还需要对信号进行计算、显示、存储与传输。3.1.1系统硬件结构框图 图3.1 控制部分结构图 采集部分与控制部分 3.1.2采集部分 为了将热电偶的小幅值电压信号转换为数字信号，我们需要对信号进行放大、模数转换、以及数字信号传输。为了使用单个AD转换器测量多路信号，我们也需要多路复用器。 （1）温度信号至数字信号转换 热电偶电压信号为mV量级，并且可能出现双极性电压。采集如此微小的信号需要首先对电压进行放大，另外不同种类的热电偶的温差电动势也不同。用自己搭建的放大电路，获得稳定而且精确的放大倍数具有一定困难，更重要的是增益大小不可调。为了获得精确的放大信号，以及能够适应不多种电偶，决定选用集成了可编程增益放大器（PGA）的ADC作为信号采集的核心。PGA具有高精度的增益倍数，一致性好，可通过程序设定增益大小。 （2）多路复用器 在离线应用场合下不方便布置多个采集设备，多路采集能力是必须的功能。多路复用器是一个多对一的模拟开关，通过数字信号控制一路导通，而其他端口出于高阻状态。通过分时复用，就能使用单个AD转换多路模拟信号。 （3）电气隔离 电气隔离能够保护被测电路和测试电路，例如被测电路上遭遇闪电、放电，或者被测电路不慎与其它电源短路。另外，电气隔离还能减小环境噪声对测试电路地影响，例如电网切换、电机启动和其它电网噪声引起的干扰，高频电磁加热设备的辐射干扰。 在火灾实验中，经常遇到设有强电动力设备、电磁加热设备、电打火或者距离变压器、配电柜等强电网噪声设备的场合，热电偶也经常被固定到金属外壳上。 3.1.控制部分 （1）微控制器与外部存储 微控制器是控制部分的核心，它负责控制采样，数据处理、存储与通信。具体包括设置ADC相关参数，控制采样率；对采集到数据的格式进行整理，简单计算；按照一定的格式存储或读出；与上位机通信。 外部存储器为离线工作模式提供存储空间，应具有足够的空间和写入速度，并且具有掉电不易失的能力。 （2）数据通信接口 为采集模块与PC间通信提供通信，应具有匹配的协议与电平型号。协议由微控制器负责，接口电路负责电平信号转换。 （3）供电 这一部分供电要满足整个模块的能耗需求，并且需要适应宽幅输入电压，并具有高转换效率、低输出纹波噪声，具有相应保护电路。 3.2主要芯片选型 3.2.1采集部分 （1）模数转换器（ADC） 在集成PGA的ADC中，Sigma-Delta型ADC具有超高分辨率，低噪声，高增益倍数，高输入阻抗，低价格的特点，特别适合热电偶电压信号，电桥信号等低速高分辨率小信号的采集应用。在现有商品化多路热电偶温度采集模块中被广泛应用。 AD7190是美国ADI公司于2009年必威体育精装版推出的新一代高速、高分辨率Sigma-Delta ADC，其24Bit的分辨率、最高4.8KHz的采样率、最低7nV的超低噪声，在同类产品中性能突出。相比广泛用与商品化热电偶采集模块的前辈AD7714等，由于新技术的采用，其性能指标更高，功能更强大，价格却更低。 下表为ICPCON i-7018采用的AD7712与小麻雀RSM-02采用的AD7714与AD7190的主要参数对比： 表3.1 不同型号AD主要参数对比 型号 AD7190 AD7712 AD7714 共同特性 24 Bits No Missing Codes 0.0015% Nonlinearity PGA Gains from 1 to 128 Low Gain Drift; Low Gain Error; Low Noise Can Be Configured as Fully Differential Three-Wire Serial Interface；SPI?, QSPI?, MICROWIRE? and DSP Compatible 最大采样率 4.8KHz 1KHz 1KHz 1KHz采样率下有效位数 19bits@960Hz 10bits@1KHz 10.5bits@1KHz 50Hz噪声抑制 120db 100db 100db 其它特性 Input Buffered Two Fully Differential Bridge Power Down Four Digital Output Voltage Attenuation Internal Reference Input Buffered Three Fully Differential Low Current (350mA) 最低价格（1K） $5.9 $15.89 $8.38 得益于技术的发展，新产品的性能更高，价格却更低（按时间先后：AD7