基于無線傳輸?shù)臒犭娕紲y溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:針對熱電偶測量系統(tǒng)遠(yuǎn)距離進(jìn)行溫度監(jiān)測時,存在信號干擾、布線復(fù)雜等問題,設(shè)計(jì)了一種無線通信的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以CC3200為核心,根據(jù)TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了采集端和接收端之間的點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。采集端對熱電偶信號進(jìn)行調(diào)理,調(diào)理精度在±1.5℃之內(nèi),把AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳給無線發(fā)送模塊,經(jīng)接收端轉(zhuǎn)發(fā)上傳到上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,無線傳輸?shù)男盘柗€(wěn)定性及可靠性高。
0引言
　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)常需要對溫度信號進(jìn)行正確測量,溫度測量環(huán)境一般都比較惡劣。熱電偶作為無源傳感器,不需要額外的供電，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、熱響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)[$],所以在溫度測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
　　熱電偶本身產(chǎn)生的信號微弱,后續(xù)調(diào)理和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸過程中很容易受干擾。傳統(tǒng)的做法是將熱電偶和測量裝置用標(biāo)稱值相同的補(bǔ)償導(dǎo)線連接，或者通過溫度變送器把熱電偶信號轉(zhuǎn)換成電信號傳輸,但如果補(bǔ)償導(dǎo)線過長會造成熱電偶信號失真，測量的溫度不準(zhǔn)確,而且補(bǔ)償導(dǎo)線和溫度變送器都要考慮布線問題。而無線通信的方式能夠解決上述復(fù)雜的布線問題，減少數(shù)據(jù)傳輸過程的信號干擾,降低測量成本,實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的信號傳輸[7]。因此,設(shè)計(jì)了一種無線傳輸?shù)臒犭娕紲y溫系統(tǒng)。
1總體設(shè)計(jì)
　　FPGA具有低功耗、集成度高、開發(fā)周期短、低成本等優(yōu)點(diǎn)。選用XC3S400作為主控單元。硬件系統(tǒng)包括采集調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、FLASH存儲模塊、CC3200無線通信模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
 
　　首先將熱電偶傳感器產(chǎn)生的信號傳遞到調(diào)理電路,經(jīng)過補(bǔ)償、增益調(diào)理后,再由AD轉(zhuǎn)換模塊把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將該數(shù)字信號傳給主控模塊進(jìn)行數(shù)字濾波、編碼處理,最后數(shù)據(jù)發(fā)送到射頻電路實(shí)現(xiàn)無線通信。
2硬件電路設(shè)計(jì)
2.1采集調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)
　　AD8495是熱電偶專用補(bǔ)償參考結(jié)點(diǎn)溫度的精密儀表放大器,差分輸人特性使其具有較高的共模抑制比,降低引線的共模干擾。內(nèi)置溫度傳感器對熱電偶參考結(jié)點(diǎn)所處環(huán)境的溫度變化實(shí)時監(jiān)測以便補(bǔ)償。固定增益放大器放大熱電偶的微弱電信號，提供線性輸出。二級放大部分采用0P200AZ構(gòu)成同相比例放大器調(diào)理電路原理圖如圖2所示。
 
　　熱電偶輸入信號先經(jīng)過低通濾波,該濾波器是為了消除RF信號,如果任其輸人到AD8495可能會被整流,表現(xiàn)為溫度波動。AD8495固定增益122.4,為了使輸出電壓符合AD轉(zhuǎn)換模塊的采集要求,二級放大倍數(shù)設(shè)為4。圖2中,“+WD"和“-WD”分別連接熱電偶的正極和負(fù)極,R1是阻值1MΩ的接地電阻,主要為了實(shí)現(xiàn)AD8495的開路檢測功能。根據(jù)AD8495的Vout管腳輸出的電壓可以導(dǎo)出測量溫度。
傳遞函數(shù)如下
T1=(Vout-VREF)/(5mV/℃)
　　式中:T1為測量溫度,℃;VouT為AD8495的輸出電壓，mV;VREF為REF引腳的輸人參考電壓,V。
　　主要是在單電源供電時測量負(fù)溫度使用,雙電源供電,故參考電壓引腳接地。
2.2存儲模塊的設(shè)計(jì)
　　由于FPGA內(nèi)部存儲空間有限,所以采用外部FLASH存儲數(shù)據(jù)。FPGA芯片主要通過查詢FLASH存儲單元的工作狀態(tài)給其下發(fā)讀寫命令,將數(shù)據(jù)從RAM緩存器傳到數(shù)據(jù)存儲器中,實(shí)現(xiàn)存儲功能。圖3所示為FLASH芯片的電路原理圖,為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,該芯片和FPGA通過排阻連接。
 
2.3CC3200無線通信模塊的設(shè)計(jì)
　　CC3200芯片的外圍電路原理圖如圖4所示,其中40MHz的晶振用于提供片內(nèi)微處理器的振蕩時鐘,32.768kHz的晶振主要為芯片內(nèi)部定時器和實(shí)時操作系統(tǒng)提供時鐘源。天線部分需要特別注意使用不同的濾波器時，在濾波器和天線之間的電容電感接法不同。
 
 
3軟件設(shè)計(jì)
3.1邏輯時序的設(shè)計(jì)
　　主控芯片XC3S400的主要功能是控制AD7606芯片的時序,以固定的采樣率獲取熱電偶采集的模擬電號并對其量化處理。采樣時序如圖5所示，CONVSTA和CONVSTB短接在一-起即圖中的ad__con-vstab,所有通道同時采樣。ad__busy在ad_convstab到達(dá)上升沿之后變?yōu)檫壿嫺唠娖?轉(zhuǎn)換過程開始,直到ad_busy下降沿表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被存到輸出數(shù)據(jù)寄存器可供讀取。first_data在ad__cs下降沿脫離三態(tài),與通道對應(yīng)的ad_rd下降沿將first__data置為高電平,表示輸出數(shù)據(jù)總線可以提供該通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
 
3.2無線通信的實(shí)現(xiàn)
　　在數(shù)據(jù)接收設(shè)計(jì)中,采用中斷的方式保證CC3200能夠及時響應(yīng)UART傳來的數(shù)據(jù),當(dāng)UART接口收到數(shù)據(jù),程序立刻進(jìn)人中斷將接收到的數(shù)據(jù)緩存并打包等待無線發(fā)送。發(fā)送命令的設(shè)計(jì)是將中斷函數(shù)緩存的數(shù)據(jù)以TCP方式轉(zhuǎn)發(fā),同時要配合上位機(jī)的指令控制流程圖如圖6所示。
 
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　　針對本文的設(shè)計(jì),在高低溫箱中分別測試使用補(bǔ)償導(dǎo)線和無線通信得到的數(shù)據(jù),對比分析兩種傳輸方式的信號穩(wěn)定性。由于高低溫箱中的實(shí)際溫度實(shí)時變化,故采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Pt100標(biāo)定高低溫箱中的實(shí)際溫度。無線通信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,每隔10℃左右測一次信號,測量的電壓信號先經(jīng)過AD8495放大122.4倍,再由二級放大電路放大4倍得到，最后要在上位機(jī)軟件處理將數(shù)據(jù)還原為溫度格式。
 
　　圖7(a).(b)分別是采用補(bǔ)償導(dǎo)線和無線在距離20m時測量的數(shù)據(jù)圖,圖中的趨勢線是按設(shè)計(jì)原理根據(jù)理論電壓和溫度關(guān)系繪制的。可以看出圖7(a)由于補(bǔ)償導(dǎo)線過長引起信號衰減和干擾現(xiàn)象,測量數(shù)據(jù)較理論值有所下降,波動較大,超出允許誤差范圍。圖7(b)通過無線測量的數(shù)據(jù)和理論值高度契合,結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)。
 
5結(jié)論
　　本文設(shè)計(jì)的無線通信方式測量熱電偶傳感器的溫度有效地解決了補(bǔ)償導(dǎo)線過長引起的信號衰減、傳輸過程中強(qiáng)電干擾耦合、布線復(fù)雜等問題，使得檢測操作更加方便靈活。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,該方法提高了測量結(jié)果的可靠性和精度。