CN111256862B - 一种高精度自标校智能温度采集和控制电路 - Google Patents
一种高精度自标校智能温度采集和控制电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，通过恒流源用于为对热电阻桥臂和内部参考桥臂提供恒定电流，第一模拟开关用于热电阻通道切换，第二模拟开关用于对热电阻端桥臂电压进行切换输出，差分放大器对参考桥臂电压和第二模拟开关采集的热电阻桥臂电压进行差分放大后输出给低通滤波器，滤波后的电压值输出给AD转换器，AD转换器将数据模数转换后发送给控制系统，控制系统通过逐路对第一模拟开关和第二模拟开关进行切换，完成温度采集。该温度采集和控制电路提高了温度采样精度，同时增大通道路数，提供一种小型化、多通道、高精度、智能温度采集和控制方案。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体为一种高精度自标校智能温度采集和控制电路。
背景技术
温度传感器分为热电阻等模拟量温度传感器，以及直接获得数字量的温度传感器。热电阻等模拟量温度传感器中的铂热电阻传感器，具有精度高、线性度好、测量范围宽等优点，铂热电阻的阻值跟随温度变化而变化，以 PT1000型铂热电阻为例，温度每变化1度，其阻值变化大约为3.85Ω，通过测量阻值变化，可以解算出温度值。
当前国内外针对铂热电阻采集技术主要有：电桥采集、恒压源采集和热电阻芯片直接采集等方法。在实际测量环境中，上述的几种测量方法很容易将各种干扰引入测量结果，干扰包括线间串扰、恒压源或者电桥非线性特质、导线电阻等，从而导致测量稳定度普遍超过±0.5Ω，很难继续提高，因此，这些采集技术仅能用于温度监测要求精度不高的领域。
在温度控制领域，由于温度采集值需参与PID算法运算，当热电阻的采样稳定度出现阻值波动时，会导致PWM占空比出现较剧烈的变化，从而导致温敏设备的工作环境温度也随之波动，影响温敏设备输出精度。因此，温度控制领域对温度采集的稳定度要求极高，应低于0.01Ω。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，克服现有技术温度采样精度差，提高测量精度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，包括恒流源、第一模拟开关、第二模拟开关、差分放大器、低通滤波器、AD转换器和控制系统；
所述恒流源用于为对热电阻桥臂和内部参考桥臂提供恒定电流，第一模拟开关用于热电阻通道切换，第二模拟开关用于对热电阻端桥臂电压进行切换输出，差分放大器对参考桥臂电压和第二模拟开关采集的热电阻桥臂电压进行差分放大后输出给低通滤波器，滤波后的电压值输出给AD转换器， AD转换器将数据模数转换后发送给控制系统，控制系统通过逐路对第一模拟开关和第二模拟开关进行切换，完成温度采集。
优选的，所述第二模拟开关还连接有多个电阻，用于对温度采用电路的自标校和自检。
优选的，所述第一模拟开关和第二模拟开关为16选1模拟开关 ADG506。
优选的，所述恒流源的输入端与基准源连接，基准源用于产生+10V基准电压。
优选的，所述低通滤波器为二阶有源低通滤波器OP07GS，放大倍数为 1，截止频率为1KHz。
优选的，所述AD转换器为24位AD转换器AD7734。
优选的，所述差分放大器的型号为AD620BR。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，采用恒流源采集方式，高精度恒流源可以保证非线性和温漂等问题，同时采用模拟开关对多路热电阻通道进行切换，可以对热电阻采样路数进行自由扩展；另外，使用差分放大电路和低通滤波器对采样电压进行滤波，屏蔽干扰；采用AD 转换器对数据进行模数转换，解决周期性强直流串扰问题，大幅提高采样分辨率；最后通过控制系统自动完成热电阻的自动采样，大大节省PID算法的运行时间。
进一步，增加标校电阻，热电阻采集电路可以无需外部设备，即可进行自标校和自检测，增加了电路的环境适应性和智能性；
附图说明
图1为本发明热电阻采样功能框图；
图2为本发明热电阻采样数据图1；
图3为本发明热电阻采样数据图2；
图4为本发明电压参考电路图；
图5为本发明恒流源电路图；
图6为本发明模拟开关通道切换电路设计；
图7为本发明差分放大电路和低通滤波电路图；
图8为本发明AD转换芯片电路图；
图9为本发明PWM接口逻辑框图；
图10为本发明PWM接口电路图；
图11为本发明AD转换和读取时序图；
图12为本发明AD转换状态机，启动AD转换状态、数据锁存及切换开关状态图；
图13为本发明AD转换状态机AD转换状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1，一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，包括基准源、第一模拟开关、第二模拟开关、差分放大器、低通滤波器、AD转换器、光耦和控制系统；
所述基准源产生+10V基准电压，基准源与恒流源连接，恒流源为对热电阻桥臂和内部参考桥臂提供恒定电流，第一模拟开关用于热电阻通道切换，第二模拟开关用于对热电阻端桥臂电压进行切换输出，差分放大器对参考桥臂电压和第二模拟开关采集的热电阻桥臂电压进行差分放大后输出给低通滤波器，滤波后的电压值输出给AD转换器，AD转换器通过SPI接口将转换数据发送给控制系统，控制系统通过自动逐路对模拟开关进行切换，在模拟开关转换间隔内，按照AD转换器的时序，完成AD转换过程。
所述第一模拟开关和第二模拟开关为16选1模拟开关ADG506。
所述热电阻测量范围1150Ω～1350Ω，选取参考电阻为1250Ω。
所述第二模拟开关剩下的4个开关通道，可外接4个高精度电阻，阻值分别为1150Ω、1250Ω、1320Ω、1350Ω，用于热电阻采集电路的自标校和自检。
所述差分放大器的型号为AD620BR。
所述低通滤波器为二阶有源低通滤波器OP07GS，放大倍数为1，截止频率为1KHz。
所述AD转换器为24位AD转换器AD7734。
使用电压参考源AD581产生稳定高精度的+10V基准电压，用于提供恒流源电压。使用单电源运放LM2904D和P沟道MOS管IRF7504组成高稳定、高精度的1mA恒流源电路。
控制系统为FPGA控制模块
为达到更好的转换精度，采样电路使用的电源+5VA、±15VA由板内电源芯片DCP020505和DCP020515自行产生，模拟电源为隔离设计。
温度控制电路方法
由FPGA逻辑IP核产生PWM信号，使用OC门OC322对该PWM信号进行隔离。输出给N沟道MOS管LYNM1310栅极，当VGS间压差〉8V 时，MOS管源极和漏极导通。该MOS管导通电阻为0.044Ω，漏电流达到 23A，因此，当1.5A电流从源极和漏极通过时，MOS管几乎没有热量。
为了防止输出电流较大的PWM对AD采样电路造成影响，因此，温度控制部分采用隔离电源设计，由隔离电源芯片DCP020515生产的另一路隔离电源+15VB，该电源地线和加热片的+28V电源共地。
通过对温度采样值的解算，输出PWM信号占空比的变化以改变通过加热片的电流大小，从而形成闭环控制电路。PWM输出为周期(0.2～10)ms 可调，脉冲宽度可编程，用户实际使用周期为1ms。
FPGA使用VHDL语言进行设计。分为两部分：自标校算法和热电阻智能采样。
通过对电路自带的不同阻值的精密电阻进行自主采样，使用自标校算法对增益参数和零位偏移参数进行解算，从而使电路测试更加准确。
热电阻智能采样通过状态机应用，通过自动逐路对模拟开关进行切换。在模拟开关转换间隔内，按照AD7734时序，完成AD转换过程。
智能采样可以采用手动切换模式或自动模式。手动切换模式可用于调试及系统维护、故障诊断等，自动模式用于系统正常工作状态。自动切换模式下，CPU在每个定时器中断读取上一路采样结果，并启动当前路热电阻采样的AD转换。FPGA实现SPI模式AD转换控制，并将AD转换结果锁存后进行切换，等待下一次AD转换启动指令。该智能设计仅需系统用户对相关内存进行读取，节约了系统时间，简化了用户软件的操作。
本发明提供的一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，与现有采样方法相比，热电阻采样精度由0.5Ω提升至0.01Ω，可完全替代电桥采集等方式；本发明安装于惯性平台内核，板面积有限，通过小型化和挠性设计，将DSP最小系统、热电阻采集和PWM控温通过分散区域进行组合使用；同时使用FPGA状态机设计，自动完成AD采样、模拟开关切换等，PID软件无需对AD芯片和模拟开关芯片进行操作，大大较少了PID软件执行时间，用户操作简单，使用方便，另外，在不使用外部标校设备的情况下，可通过 FPGA内部标校算法和自带精密电阻进行自标校，环境自适应能力较强。
+10V参考电压电路设计如图4所示,芯片AD581工作温度为-55°至 +125°，可提供最大10mA电流。
恒流源电路设计如图5所示，恒流源测量方法采用双运算放大器 LM2904D和双P沟道MOS管IRF7054组建恒流源电路的方式，以保证测量精度。为保证MOS管在恒流区工作，使恒流源电流I＝1mA，因此前端电阻选择电阻阻值为R1＝7.5KΩ，R2＝R3＝R4＝2.5KΩ。
参阅图6，12路热电阻通道切换由模拟开关ADG506完成。模拟开关 ADG506的控制端由FPGA完成。使用两个ADG506的目的在于采桥臂电压时，回避模拟开关的内阻。
如图7所示，差分放大电路和低通滤波电路可以有效滤除热电阻线路上的高频干扰和低频交流信号，差分电阻的放大倍数应进行调试。
滤波器的阻容为当电压增益Av＝1时，二阶滤波标准阻容值。当二阶滤波品质因数Q＝0.707、电压增益Av＝1时，R9＝1.422KΩ，R10＝5.399KΩ，R11开路， R12＝0Ω。根据滤波器截止频率公式
当选取C2＝10uF，C3＝3.3uF， C1＝C4＝0.1uF时，滤波器截止频率fc＝1KHz。也即1KHz以上频率的信号无法通过该低通滤波电路。该滤波参数可以根据实际情况进行调整。
如图8所示，选用高精度4通道、串行24位A/D转换器AD7734。要达到最高精度的使用效果，需将该AD芯片的配置寄存器设置为是CHOPPING模式下的最大时间参数，转换时间大约需要2.7mS。采用+5VA电压输入，使用SPI控制信号。该通道的其他三路AD通道不使用。
参阅图9和10，由FPGA逻辑IP核产生PWM信号，使用OC门OC322F对该 PWM信号进行隔离，隔离电源为DCP020515生产的隔离+15VB电源。驱动后的PWM 信号，可输出给N沟道MOS管LYNM1310栅极，根据VGS间压差〉8V时，MOS管源极和漏极导通。该MOS管导通电阻为0.044Ω，漏电流最高可以达到23A，系统用户实际使用为1.5A。PWM输出为周期(0.2～10)ms可调，脉冲宽度可编程，用户实际使用周期为2ms。
自标校算法方法如下：
恒流源电路用于产生固定电流I，电流通过外部电阻Rx后可产生电压：
Vx＝I*Rx
经过差分放大器电路后该电压被线性放大
Vin＝m*Vx+n
其中：m为差分放大器放大系数，n为差分放大器电路产生的零位偏移。
综上分析，AD转换器输入端电压Vin与外部温度传感器电阻成线性关系，即
Vin＝m*I*Rx+n
基于上述公式，外部电阻值Rx与ADC芯片采集电压Vin存在线性关系：
Rx＝K*Vin+B
FPGA内部设计线性校正模块，针对每个采集通道设计参数K、B，并对线性校正后的电阻值Rx进行滤波处理，可将外部电阻值直接送与上层软件读取。
本设计中电阻范围1150Ω～1350Ω对应编码000000H～FFFFFFH；Vin为ADC芯片采集值，对应编码000000H～FFFFFFH；K，B均为32bits定点实参数，最高位为符号位，后续为3位整数位，低28位为小数部分。
差分放大器电路通过固定电阻调整Vin将最小值控制在000000H与400000H 之间，将最大值控制在800000H与FFFFFFH之间，本设计既充分利用了ADC芯片的采集性能，又在最大的限度上减少印制板上的调试电阻，为印制板实现良好的电地设计留出足够的空间。
热电阻智能采集方法
参阅图11和12，由FPGA通过状态机的方式，完成模拟开关控制和SPI控制，直接将采集后的数据放入寄存器中，由PID算法直接读取。
使用状态机完成，免去了PID算法对采样操作过程，节省了用户软件的执行时间。
AD7734转换和读取参数如表1所示：
表1转换和数据输出关系中参数说明
AD智能采集电路通过状态机实现，依据图11时序完成SPI接口时序设计。设计AD转换等待时间为2.7ms，SPI接口时钟SCLK为5MHz，时钟上升沿采数，均满足AD7734时序要求。
状态机共3个状态，如图12所示，分别为IDLE空闲状态、启动AD转换状态、数据锁存及切换开关状态。
IDLE：空闲状态，等待启动转换信号，准备进入AD转换状态；
AD转换状态：进入AD7734工作状态机，见图13；
AD7734转换通过状态机实现，包含四个状态：空闲状态、配置状态、写命令状态和读数据状态。置启动转换信号后，AD由空闲状态进入配置状态，配置AD各个通道的转换时间，然后，AD进入发送命令状态，置相应读取通道的工作模式为 single工作模式。命令发送完成后，等待AD转换完成；AD转换完成后，将 AD_RDY信号置低，此时进入存数模式。等存数完成后，置DSP_READ_FLAG标志，表示AD转换完成。
锁存当前通道数据状态：AD转换完成后，将转换数据锁存等待读取，同时切换下一路模拟开关通道，然后进入空闲状态，开始下一次的转换。
实施例1
以下述条件为例，对本发明提供的一种高精度自标校智能温度采集和控制电路进行验证。
环境温度为常温，单机测试试验条件：
外接热电阻测试标的：普通电阻RJK53-0.125W-1.3K BN模拟热电阻；
外接PWM负载：功率电阻模拟加热片；AD采样周期：6.2mS；采集时间：400S；
将不同的采集数据使用MATLAB软件制图，见图2和图3。
本发明提供的一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，首先使用恒流源采集方式，高精度恒流源可以保证非线性和温漂等问题；其次使用模拟开关对多路热电阻通道进行切换，通过ADG506、ADG508或ADG509等模拟开关的灵活应用，可以对热电阻采样路数进行自由扩展；另外使用差分放大电路和低通滤波器对采样电压进行滤波，屏蔽干扰；然后使用24位高精度AD转换器，可以解决周期性强直流串扰问题，同时，大幅提高采样分辨率；再然后通过FPGA的自标校算法和增加标校电阻，热电阻采集电路可以无需外部设备，即可进行自标校和自检测，增加了电路的环境适应性和智能性；最后，通过FPGA的智能状态机，可以自动完成热电阻采样的自动采样，大大节省PID算法的运行时间；同时通过PID算法对热电阻采集值进行解算，输出电流为1.5A的PWM信号，通过PID解算出的占空比，对加热片进行加热。
通过以上方法的工程应用，可以实现稳定的闭环实时控制电路。初步设定工程样本指标为：热电阻采样通道12路，测量范围为1150Ω～1350Ω，热电阻采样周期为5ms，采样精度要求小于0.01Ω；PWM信号12路，单路输出能力不小于 1.5A。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，其特征在于，包括恒流源、第一模拟开关、第二模拟开关、差分放大器、低通滤波器、AD转换器和控制系统；
所述恒流源的输入端与基准源连接，基准源用于产生+10V基准电压，
所述恒流源用于为对热电阻桥臂和内部参考桥臂提供恒定电流，第一模拟开关用于热电阻通道切换，所述第二模拟开关还连接有多个电阻，用于对温度采用电路的自标校和自检，第二模拟开关用于对热电阻端桥臂电压进行切换输出，差分放大器对参考桥臂电压和第二模拟开关采集的热电阻桥臂电压进行差分放大后输出给低通滤波器，滤波后的电压值输出给AD转换器，AD转换器将数据模数转换后发送给控制系统，控制系统通过逐路对第一模拟开关和第二模拟开关进行切换，完成温度采集；
自标校方法如下：
恒流源产生固定电流I，电流通过外部电阻后产生电压，电压经过差分放大器被线性放大，并且外部电阻值与AD转换器输入端电压为线性关系，控制系统通过线性校正模块对外部电阻值进行线性校准；
线性关系的表达式如下：
Rx＝K*Vin+B
其中，Rx为电阻值，Vin为AD转换器输入端电压，K和B为采集通道设计参数。
2.根据权利要求1所述的一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，其特征在于，所述第一模拟开关和第二模拟开关为16选1模拟开关ADG506。
3.根据权利要求1所述的一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，其特征在于，所述低通滤波器为二阶有源低通滤波器OP07GS，放大倍数为1，截止频率为1KHz。
4.根据权利要求1所述的一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，其特征在于，所述AD转换器为24位AD转换器AD7734。
5.根据权利要求1所述的一种高精度自标校智能温度采集和控制电路，其特征在于，所述差分放大器的型号为AD620BR。
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