1 引言
热电偶作为一种主要的测温元件,具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。传统的热电偶测温系统由若干基本单元构成,包括:一个热电偶、另一个用于测量热电偶和引线接头处温度的传感器、信号调理单元和A/D转换器。热电偶输出信号首先要接到一个精密低噪声放大器或仪表放大器上,放大后送到ADC中,变换为数字信号,再送到微处理器或PC机中。微处理器或PC机利用来自ADC和冷端处的温度传感器的数据计算出热电偶“热端”处的实际温度。另外,热电偶在测温过程中,常常需要把热电偶输出的温度信号从生产过程的装置上传输到远离装置数十米的控制室里,而且从热电偶的测温原理来说,要求把热电偶冷端安置到温度恒定的地方,因此在热电偶温度测量中要大量使用补偿导线。可见利用传统热电偶测温时具有接线复杂、设备成本高、数据传输易受干扰、测量精度低、系统误差大等缺点。一线总线具备能与计算机进行数字通讯、布线简炼、接收简单、使用方便、精度高、性能稳定、价格便宜等多方面优点,是工业现场系统设计的高级境界。如果能将一线总线技术应用于热电偶,构成符合一线总线规范的热电偶,则将大大简化热电偶的应用设计。一线热电偶无静态功耗,在总线上一般不限制挂接一线热电偶的数量,很容易构成分布式多点测量系统,必将具有广泛的应用前景。
2 一线热电偶的结构
2·1一线总线器件必须满足以下几方面的要求:
2·1·1 低功耗
一线总线的电源通常由一个连接于3V~5.5V电源端的4.7kΩ上拉电阻提供,其提供的电源能量是非常有限的,故要求一线总线器件必须满足低功耗的特性。
2·1·2 具有唯一的身份码
一线总线是通过身份码来识别挂在同一总线上的不同器件的,因此要求每个一线总线器件均具有全球唯一的64位ROM识别码。
2·1·3 必须满足一线总线器件的时序要求
根据上述对一线总线器件的要求设计出的一线总线热电偶如图1所示。由于热电偶为静态无功耗器件,符合一总线器件低功耗的要求,选用一线总线器件DS2760满足身份码及时序要求,可以与任何类型的热电偶结合起来构成一线热电偶。
3 DS2760锂电池监视器
DS2760是Dallas公司推出的高精度锂电池监视器。该器件是为了解决便携式电子产品电池工作状态的实时监测而推出的,具有功能强大、体积小、硬件接线简单等优点。将标准的热电偶与DS2760锂离子电池监测芯片相结合,可以把一个简单的热电偶变成符合一线总线规范的热电偶。
3·1性能特点
(1)一线总线接口,只有一根信号线与CPU连接;
(2)无需备份电源,可用数据线供电;
(3)两种配置:内部25mΩ检测电阻,外部用户可选的检测电阻;
(4)分辨率为4.88mV的电压检测;
(5)电流测量:
12位双向测量;
内部检测电阻:0.625mALSB,±1.9A动态范围;
外部检测电阻:15.625μV LSB,±64mV动态范围;
(6)片内温度传感器;温度测量范围-127℃~127℃,测量精度为0.125℃;
(7) 32字节的可锁存EEPROM,16字节的通用SRAM;
(8) 64Bit ID ROM;
(9)低功耗:
工作电流: 90μA (最大) ;
休眠电流: 2μA (最大)。
3·2内部结构
DS2760的功能结构框图如图2所示。它由温度传感器、25mΩ检测电阻、多路器、基准电压、ADC、多种存储器及时基、状态/控制寄存器、与主系统单线接口及地址等组成。这款低功耗器件集成了温度、电压和电流的精密测量、非易失数据存储等功能,很容易将标准热电偶转变成一线热电偶。
4 一线热电偶工作原理
4·1热电偶输出电势的测量
热电偶输出直接与电流ADC输入端连接,管脚IS1与IS2之间的0.1μF电容与芯片内部4.7kΩ电阻形成低通滤波电路,滤去来自工业现场的各种高频干扰信号,电流ADC输入端采用外部检测电阻配置方式,因此该芯片直接把冷端和热端间mV级的输出信号数字化,并将结果存储在电流寄存器里,该寄存器满量程范围是±64mV,分辨率为15·625μV LSB,由此可以看出即使采用低热电势率的K型热电偶时,转换器可提供的分辨率仍优于1℃。
4·2热电偶的冷端温度补偿
热电偶输出的电势信号不仅与测量点温度有关,还与冷端温度有关,因此必须采取措施对其补偿,一线热电偶的冷端温度补偿原理是:将芯片DS2760处于热电偶的冷端,利用DS2760片内的温度传感器连续地监测冷端处的温度,并将测量结果存储在温度寄存器中。微处理器通过读取热电偶输出的热电势及热电偶的冷端温度,按照冷端温度补偿公式计算出测量端温度,从而实现了热电偶冷端温度的完全补偿。把热电偶安装到电路板上时,必须注意使之尽可能接近DS2760,以减小这些连接和DS2760封装中的芯片的温度差。为了保证各结处于同一温度,要使用铜熔焊和铅熔铸方法,以在热电偶导线与印刷电路板上导线连接的地方及其附近形成等温区。因为温度差会产生电势差。
4·3热电偶信息的存储
DS2760片上带有一个32字节的可锁存EEP2ROM存储器,可用于存储热电偶类型、进入工作状态的时间和位置以及热电偶标定参数等信息,以减少传感器错误标识带来误差的可能。
4·4热电偶与微处理器的通信
一线热电偶通过单根双绞线电缆便可以与微处理器进行通信。这根电缆取代了传统热电偶所用的昂贵的延长电缆。更重要的是,由于单根双绞线(即一线总线)上传递的是数字信号,抗干扰能力大大提高。
5 一线热电偶的供电方式
C1和肖特基二极管VD1构成一个半波整流器,在总线(电压为5V)空闲时为DS2760供电。这实际上是一线式器件内部所采用的寄生式供电方法,只是用分立方式来实现而已。肖特基二极VD2管接在DATA和GND两脚之间,将负向信号偏移限制在-4.0V以内,以实现电路保护。如果没有这个二极管,总线上大于0.6V的负向信号漂移可以使得DS2760芯片衬底上的寄生二极管正向偏置,从而干扰其正常功能。通过电阻R1可以测量DS2760的供电电压Vdd。对故障查找来说,这可以用于验证一线网络(12Wire net)的电压是否在可接受的范围之内。
6 一线热电偶在测温网络中的应用实例
由于所有一线式器件具有的识别地址功能,多个智能化的一线热电偶可以放在网络上任何所需要的地点,很容易构成测温网络,大大减小了安装设备的成本和占地面积。图3为以89C51为核心构成的多点测温网络,一线总线热电偶进入到系统后,要设计一个读序列号分别从各DS2760的ROM中读出其序号,然后分别赋予其在系统中的编号1~n。RS2232转换单元将单片机的TTL电平转换为标准的RS2232信号,以便将所测的温度数据转移到PC机中进行数据的后续处理。通过键盘及LCD显示器可以设定采样时间等程序基本参数。
7 结束语
本文根据一线总线规范设计出一种一线总线热电偶,一线总线主机可根据读取的热电势、冷端温度值经计算可得到被测温度值,同时可利用存储在DS2760 EEPROM中的热电偶标定参数对一线热电偶输出值进行修正,以减少标识误差。由于采用了一线总线技术,每个热电偶通过DS2760均挂在总线上,从而大大减少了布线及安装费用,使采用一线总线微网技术构成的多点温度测量系统成为可能,因而具有广泛的应用前景。
