電阻溫度探測器數字電流環變送器的設計

仝新建 江國棟

(南京工業職業技術學院能源與電氣工程學院,南京 210046)

電阻溫度探測器數字電流環變送器的設計

仝新建 江國棟

(南京工業職業技術學院能源與電氣工程學院,南京 210046)

針對4～20mA工業電流環測溫精度無法達到要求的問題，采用靜態工作電流小于4mA的新型低功耗數字IC器件，設計了一種電阻溫度探測器數字電流環變送器。給出其測溫原理、總體方案、硬件電路與軟件流程。實驗結果表明：電阻溫度探測器數字電流環變送器的技術指標滿足工業電流環4～20mA的要求，在特定溫度區域通過對系統誤差的補償，電阻溫度探測器測溫誤差可小于0.1℃，滿足高精度、低功耗的測溫要求。

電流環變送器 電阻溫度探測器 數字信號 集成電路 誤差補償

目前，人們普遍采用4～20mA的電流環來檢測工業控制過程中的溫度參數[1]，這種接口需要將電壓信號(典型值1～5V)轉換為4～20mA的電流信號。如果要達到高準確度、高精度的溫度檢測要求，必須使用昂貴的精密電阻器或微調電位器來校準不精密器件的初始誤差，以滿足設計目標要求。但現代電子生產技術多采用表面貼裝的生產方式，獲得表面貼裝型的精密電阻器很難；微調電位器又需要人工干預，而且易受到環境和使用時間的影響，存在一些不穩定因素，因此很難保證溫度參數測量的準確性和穩定性。如果采用數字處理方法，電流環需要信號調理、模數轉換(ADC)與數模轉換(DAC)變換器及單片機等電路，由于器件自身功耗的問題，電路工作電流會超過限制(4mA)要求，存在設計上的瓶頸而無法實現。

隨著集成電路(Integrated Circuit,IC)技術的迅速發展，低功耗IC新型器件不斷涌現，為解決上述問題提供了有利條件。在此，筆者采用新型低功耗數字IC器件，設計一種帶自校準功能的電阻溫度探測器(Resistance Temperature Detector,RTD)數字電流環變送器。系統電路設計時，器件選型需嚴格控制其工作電流不大于4mA；同時，應用微控制單元(Microcontroller Unit,MCU)的數字信號處理能力，通過軟件調整方法，自動進行測溫誤差校準，提高測溫精度。

1 RTD的測溫原理①

RTD[2]是用鉑金制造的，而鉑金具有可預測的電阻溫度特性，因此RTD具有溫度范圍寬、線性良好、長期穩定性高及可重復性好等特性。

RTD中阻值R與溫度T的卡倫德方程為：

Rt=R0[1+AT+BT2+C(T-100)T3] ，-200≤T≤0℃

(1)

Rt=R0(1+AT+BT2)，0

(2)

其中，R0為0℃時的電阻值；A=3.96847×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。可以看出，式(1)、(2)是非線性方程。以Pt100為例，其RTD非線性曲線如圖1所示，可以看出，RTD電阻值在小溫度范圍內有相當好的線性度；在整個溫度范圍內，電阻非線性最大值約4.5%，需通過線性插值補償加以校準。

圖1 Pt100的RTD非線性曲線

RTD數字測溫結構框圖如圖2所示。用一個已知恒流源I0激勵RTD，產生一個正比于RTD的電壓差VDIF，經過電壓放大與AD變換后得到可以計算RTD電阻值的數字編碼信號。

圖2 RTD數字測溫結構框圖

2 RTD數字電流環變送器總體方案

數字電流環變送器由RTD、ADC[3]、MCU、DAC、輸出驅動電路和電源組成(圖3)，為高集成度4片系統解決方案。該數字電流環變送器選用ADS1220型ADC，電流功耗415A，接口可配置兩線、三線或四線RTD；MCU為MSP430G2513，電流功耗330A，可運行包含系統校準算法的應用軟件；DAC為DAC161S997，電流功耗100A，通過SPI與MCU接口，發送4～20mA的輸出電流，其值對應RTD溫度讀數；電源為TPS7A4901，是輸入電壓范圍為3～36V的低壓差穩壓器，具有噪聲低和溫度特性良好的優點。由圖3可知，數字電流環變送器的典型工作電流不大于1.4mA，其中包括RTD激勵電流(500μA)。考慮到MCU軟件運行時工作電流會增加，因此數字電流環變送器的工作電流可以做到不大于4mA，滿足工業電流環技術規范要求。此外，由于數字電流環變送器采用數字信號處理方法，需進行AD和DA轉換，此過程會產生偏移和增益誤差，需要進行數字補償校準。

圖3 數字電流環變送器結構框圖

3 硬件電路部分

3.1RTD溫度傳感器的選擇與電路配置

EN 60751定義了鉑溫度傳感器的詳細電氣特性，標準包含了電阻與溫度、容差、曲線和溫度范圍的關系列表。3種常見的RTD規格為Pt100、Pt500和Pt1000，其中最通用的是Pt100。Pt100在0℃時的電阻值為100Ω，電阻每攝氏度變化約0.385Ω。Pt100的容差有5個等級，即AAA、AA、A、B和C。性價比最高的是等級A，它具有良好的預校準精度和長期穩定性，在無校準的前提下，100℃時的溫度誤差小于0.5℃。

RTD可以采用兩線、三線和四線配置方式。兩線制要求引線寄生電阻值已知而且不可改變，并通過計算對電路進行補償；三線制帶有開爾文連接，對環路寄生電阻進行測量和補償；四線制標準開爾文連接，可以對不同長度的線路進行精密測量，RTD阻抗測量與其環路引線寄生電阻無關。

3.2ADC測量電路

ADS1220是一款精密的24位∑-ΔADC[2]，所集成的多種特性能夠降低系統成本并減少小型傳感器信號測量應用中的組件數量。ADS1220內含一個復用器、一個低噪聲高輸入阻抗的可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)、一個2.048V的數模轉換電壓基準、一個振蕩器、兩個可編程電流源、一個數字濾波器和SPI接口。ADS1220通過靈活的輸入復用器可實現兩個差分輸入或4個單端輸入。其兩個可編程電流源為外部傳感器提供激勵電流，電流范圍10～1 500μA。當采樣頻率為每秒20次時，數字濾波器能夠實現50Hz和60Hz的同步抑制。內部PGA提供高達128V/V的增益，可使ADS1220非常適用于小傳感器信號的測量。

圖4為基于比率法的四線制RTD溫度測量電路。傳感器信號VRTD和參考電壓VREF源自同一激勵電流源IDAC1，因此由IDAC1溫漂或噪聲所產生的誤差可以抵消。

VRTD經ADC的PGA放大后與參考電壓比較，產生數字代碼Code：

Code=VRTD·PGA/(IDAC1·RREF)=RTD·PGA/RREF

(3)

由式(3)可知，輸出代碼取決于RTD、PGA增益和RREF(R1)，與IDAC1無關。由于RREF直接影響測量精度，所以應選擇一個低溫漂的RREF。

3.3MCU控制電路

MSP430G2513型MCU[4]是一款超低功耗混合信號微控制器，具有一個強大的16位RISC CPU、內置16位定時器、配置串行通信接口(USCI)，完全滿足系統控制、數字量處理和串行通信的要求。MCU通過SPI總線可分別與ADS1220和DAC161S997進行通信。

圖4 四線制RTD溫度測量電路

MCU數據處理與校準過程為：通過SPI總線接收ADC的原始代碼，經偏移量和增益誤差校準后，ADC代碼轉換為電阻值；查RTD溫度與電阻值對照表，完成線性插值補償RTD的非線性，并測得準確溫度值；DAC經偏移量和增益誤差校準后，將測得的溫度轉換成DAC代碼，通過SPI總線注入DAC數據寄存器。

3.4數字電流環電路

數字電流環電路由DAC161S997型DAC[3]和環路接口電路組成。DAC161S997是一款低功耗的16位∑-Δ數模轉換器，配置SPI接口[5]，微控制器通過SPI總線發送數據到DAC的數據寄存器，內置的∑-Δ模塊將數字量轉換為電流脈沖，經三階低通濾波器濾波后從OUT引腳輸出環路電流。環路接口電路部分，首先解決了輸入高壓電源(10～30V)與DAC供電3.3V的接口問題，即采用線性穩壓器或開關穩壓器將電壓降至3.3V；其次，DAC輸出環路電流加NPN晶體管將電流放大，使電流動態范圍達4～20mA，以符合工業標準電流環的技術要求。

為了提高環路工作穩定性，需穩定晶體管跨導，有效方法是通過在發射極串聯一個20Ω電阻來弱化發射極作用。環路電流ILOOP與DAC代碼(DACCODE)的關系為：

ILOOP=24×(DACCODE/216)

(4)

其中，24mA為環路最大輸出電流。設定測溫范圍與4～20mA電流呈線性轉換關系，則4mA對應測溫低端，20mA對應測溫高端。根據上述技術要求，數字電流環電路如圖5所示。

4 軟件部分

RTD的模擬信號經過ADC和DAC變換后，會引入新的偏移量和增益誤差，同時還有原有的RTD非線性。因此為了保證溫度測量精度，需通過校準的手段來消除誤差。筆者基于MCU使用軟件處理方法來數字化校準誤差。

4.1ADC誤差校準

ADC誤差主要有偏移量誤差和增益誤差。偏移量誤差是由內置PGA與信號模數轉換產生的，其測量方法是：將ADC內的輸入端短接，MCU經多次測量平均即可得到偏移量誤差代碼值。在偏移量誤差校準到零后，在整個溫度范圍內，增益誤差是指理論與實際轉換曲線斜率的差異，可用百分系數來校準。通常用簡單兩點校準法通過實驗求得增益校準系數，實驗方法為：實驗中用到精密電阻20Ω±0.1%(約-196℃)、380Ω±0.1%(約814℃)和8.5位數字萬用表，當RTD端口分別接入20、380Ω時，測量ADC值，然后轉換成相應的電阻值，與8.5位數字萬用表測量所得的電阻值進行差值比較，即獲得增益校準系數。

圖5 數字電流環電路

4.2RTD線性插值補償

由式(1)、(2)與圖1可知，RTD阻值與溫度變化成非線性關系。在數字測溫系統中，MCU用查表和線性插值方法，可以很好地解決非線性問題。RTD阻值表由廠商提供，溫度范圍-200～850℃、溫度間隔1℃。MCU讀取經ADC誤差校準后的代碼，由式(3)將它轉換成RTD電阻值，然后對照阻值表，得到所處溫度范圍。經線性插值補償后的溫度值TEMP為：

(5)

其中，RT、RT+1為所處溫度范圍的兩端點電阻值；T為低端點溫度值；TMIN為溫度初值。

4.3DAC誤差校準

在4～20mA范圍內，以2mA為間隔，由式(4)求得代碼并注入DAC，用8.5位數字萬用表測量其環路電流。根據測量值與理論值，可計算得到DAC增益誤差系數，將它存儲在MCU的FLASH存儲器為后續程序使用。與增益誤差相比，DAC的偏移量誤差校準對系統測量誤差影響不大，可以不予考慮。

4.4軟件流程

開發軟件CCSTUDIO-MPS是一個集成開發環境[4]，它提供開發所需的編輯、編譯、生成、下載和調試功能。MCU通過SPI總線與ADS1220和DAC161S997進行通信，并初始化相關寄存器。系統軟件采用模塊化設計，包括系統初始化程序、控制與SPI通信程序、溫度采集程序、誤差校準與線性插值程序、電流環變送程序。系統軟件流程如圖6所示。

圖6 系統軟件流程

5 測試結果

用速雷精密直流電阻箱ZX54(0.01～11.11111±0.02Ω)代替Pt100鉑熱電阻，并配8.5位數字萬用表測量電阻與電流參數。對照Pt100阻值表，在-200～850℃之間，每10℃為一個測試點。精密電阻為20Ω時，TEMP=-196.570℃，ILOOP=4.052mA；精密電阻為380Ω時，TEMP=814.135℃，ILOOP=19.455mA。測試所得的系統最大測量誤差曲線如圖7所示。

圖7 系統最大測量誤差曲線

由實驗結果可知，環電流技術指標滿足工業電流環標準的要求。在400℃附近，溫度測量最大誤差約0.18℃；在0～200℃之間，溫度測量最大誤差約0.08～0.12℃。通過軟件補償系統誤差，在特定溫度區域可進一步提高測溫精度，完全可能使測量誤差小于0.1℃。

6 結束語

筆者利用新型低功耗數字IC器件，設計了一個RTD數字電流環變送器。MCU通過軟件方法對器件的偏移量與增益進行補償，用線性插值方法對RTD非線性進行校準。實驗結果表明，RTD數字電流環變送器技術指標滿足工業電流環標準，很好地解決了傳統模擬RTD數字電流變送器存在的問題。RTD數字電流環變送器可以取代同類模擬產品，在產品設計和應用中具有良好的靈活性和可操作性，具有一定的市場應用前景。

[1] 鄭貴林,王振杰.新型多路Pt100溫控變送器[J].儀表技術與傳感器,2014,(12):47～49.

[2] Wilson J S,著,林龍信,鄧彬,張鼎,等譯.傳感器技術手冊[M].北京:人民郵電出版社,2009:394～415.

[3] 丁磊,簡芳,鄧杰航,等.基于FPGA的∑-Δ型模數轉換器的仿真研究[J].計算機仿真,2013,30(8):208～211.

[4] 王兆濱,馬義德,孫文恒,等.MSP430系列單片機原理與工程設計實踐[M].北京:清華大學出版社,2014.

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參考文獻著錄規范

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[學位論文] 編號 著者名.題(篇)名[D].保存地：學位授予單位,年.

[專利文獻] 編號 專利申請者名.專利題名[P].專利國別：專利號,出版日期.

注：①著者姓名應列全(3個以上的只列3個，并在第3個著者名后加“等”)；

②國外作者名應將“姓”排前，“名”排后。

DesignofDigitalCurrent-loopTransmitterforRTD

TONG Xin-jian, JIANG Guo-dong

(CollegeofEnergyandElectricalEngineering,NanjingInstituteofIndustryandTechnology,Nanjing210046,China)

Considering the fact that measurement precision of 4-20mA current-loop transmitter can’t satisfy the industrial requirements, a new-type low power consumption IC device which boasting of static working current less than 4mA was adopted to design a RTD digital current-loop transmitter; and its temperature-measuring principle, overall scheme, hardware circuit and software flow chart were presented. Experimental results shows that, this RTD digital current-loop transmitter can satisfy the requirements of industrial measurement and in specific temperature scope, through the system error compensation, the RTD measurement error can be less than 0.1℃ as required of the high-precsion and low-power temperature measurement.

current-loop transmitter, RTD, digital signal, IC, error compensation

2015-12-21(修改稿)

江蘇高校品牌專業建設工程項目(PPZY2015B189)

TH862+.1

A

1000-3932(2016)07-0680-05