手持式高精度智能多路温度测试仪

张洪华

（长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410010）

1 系统总体设计

1.1 总体结构

硬件平台处理器采用Cortex-M3内核芯片STM32F107RBT7，该芯片具有丰富资源，集成CAN总线控制器和USB OTG控制器等多种外设。并且其低成本、超低功耗的特性使得其非常适合于手持设备的应用。外围扩展数据采集模块、键盘与液晶显示器、几种通信接口、SD卡与U盘接口。因此，采集的温度数据可以能过LCM实时显示，也可以通过SD卡和USB接口以文件形式存储到SD卡或U盘等移动存储介质，或通过RS232接口、USB接口、无线模块和CAN总线接口传输到PC端上位机作更一步的数据分析与智能控制。

1.2 温度传感器的选型与物理特性

本温度测试仪主要支持两种类型的温度传感器，热电阻与热电偶。

考虑到热电阻的种类的差异性，对于热电阻，本测试仪固定使用一种型号的热电阻Pt100，因为其线性度高，精度大，所以作为主测温传感器。Pt100是一种铂电阻温度传感器，具有精度高，稳定性好，温度感应范围广等特点，是一种在中低温区(-200℃~650℃)使用最广泛的温度传感器。此外，铂电阻传感器还具有很好的长期稳定性，同等精度的温度传感器中，成本相对较低，被广泛应用于工业测温与计量和校准的各种温度测试设备中。

热电偶是另一种温度传感器，与热电阻不同的是其温度与热电势关系并非线性，并且还需要对冷端温度进行补偿。在使用热电偶测试温度时，主要测得热电势冷端温度两个值，再根据用户设置的热电偶类型查找对应的分度表来获取温度值。

热电偶冷端温度由芯片MAX6610提供，MAX6610是高精度、低功耗模拟温度传感器，带有高精度电压基准，其低温漂基准典型值为±10ppm。在排除手持测试仪上人体体温影响后，直接测得环境温度，作为冷端补偿温度和环境参考温度使用，同时也为本测试仪AD转换器提供参考电压。

在使用时应根据实际情况选择温度传感器，因为两种传感器有各自的适用环境，热电偶常用在高温区（300度以上），热电阻在低温区。热电阻测量范围小，但精度比热电偶的高；热电偶测温范围可达一千多度，温度反应时间要比热电阻的快。

2 系统的软硬件设计

2.1 电源设计

单聚合物锂电池为系统提供稳定可靠的电源。通过USB接口充电，充电电流管理芯片采用低成本方案TP4052，可以自行设定充电电流，并具有温度保护功能。锂电池内部集成保护板，可有效防止过充过放、短路，为系统提供安全稳定的电源。数据采集模块电源采用芯片F0303T-1W进行隔离，该芯片3.3V到3.3V的DC-DC电源输出，对控制可提供3KV的直流隔离，为本测试仪提供硬件上的安全保障。

2.2 测温电路设计

模拟数据采集是温度测试仪最基本，也是最重要的一部分，在采集过程中会对传感器产生的电信号进行量化编码输出，给MCU提供可处理的数据。检测回路将测试对象的温度的信号量实时地采集，并经过A/D转换器以数字量的形式送入存储器中，再对这些数据进行相关的分析处理。

数据采集模块主要芯片为TI公司生产的ADS1147，是一种专为温度传感器设计的高速高精度模数转换器，数据输出率高达2k SPS。因为内部为Σ-Δ结构，在高速采集的条件下也不需要添加复杂的外围电路，如信号跟随器、前级放大器等。ADS1147提供两路差分输入，在实际应用中，仅使用一路差分输入，通过滤波电路接入热电偶，直接测试热电偶电压值。另一通道连接多路模拟开关，使其可同时采集多路温度信号。

74HC4052是双四选一模拟开关，支持宽输入电压，信号输入通道选择由MCU数字量控制，为增加系统的稳定性，采取了AD部分与MCU隔离，所以增加了ADUM1200磁隔离芯片。电路如图3所示，其中INA到IND为四路热电阻信号的输入，IN0+为ADS1147的AD转换器单端输入口。

对于另一通道，因为AD转换芯片为Σ-Δ结构，热电偶输入的外围电路可以相当简单，通过滤波电路（未画出）直接进入AD转换器的一个差分通道。AD转换主电路如图3所示，其中部分电源滤波电容已省。

图3 AD转换模块部分电路

热电偶测量电压后还需要测试冷端温度，由温度传感器芯片MAX6610提供，输入到ADS1147的通道AIN0。同时，ADS1147的基准电压也由其提供。

2.3 数据存储与通信接口

对于数据的存储，存储介质可以为SD卡或U盘。温度数据通过FATFS管理模块将数据以二进制文件形式保存在SD卡或U盘中，并以测试开始时间作为文件名进行存储，从而达到方便管理的目的。

对于通信接口，无线通讯、CAN总线与RS232都采用ModBus数据链路层协议进行通信，而USB接口则直接连接电脑后自动更新为从机模式，达到与上位机通信的目的。无线模块使用RF4432，中心频率为433MHz，通过PC端无线模块接入[2]。而CAN总线外接NXP公司生产的高速收发器TJA1050则可接入外部总线，从而进行通信，CAN总线波特率设定为50Kbps。RS232接口为系统中最简单接口，只将波特率设为9600bps即可连接到上位机软件。

2.4 抗干扰措施

在生产的工业现场中，各种通信信号与辐射无处不在，会产生了较大的电磁干扰，元器件之间本身也会产生干扰信号。这些干扰信号都可能会对通信或处理器的运行产生各种影响，因此必须采取相应的抗干扰措施。整个系统采取的硬件抗干扰措施主要有：隔离电源系统模块、电路板合理布局和布线、采用硬件看门狗。

测试仪在AD采集部分主要从两方面增加其稳定性与抗干扰能力，一是硬件隔离；二是软件滤波。

针对工业生产这种环境相对恶劣的场合，一般都会存在高压、大电流等干扰，所以AD采样一般都会经过隔离后方可输入MCU，本测试仪采用全隔离方式来减少外界对系统的破坏，包括电源和AD的控制总线。

但对于小信号，在采样的过程中可能会很有多噪声干扰，需采用滤波的方法来抑制干扰。滤波的方式主要有硬件滤波和软件滤波两种，由于采用软件滤波算法不需增加硬件设备，可靠性高，功能多样，使用灵活，具有许多硬件滤波措施所不具备的优点，在设计中采用软件滤波的方法来抑制噪声干扰。软件滤波的方法主要有中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中值平均滤波法、一阶滞后滤波法等[3]，考虑到温度值一般相对变化较慢，传感器受到的干扰则会以脉冲干扰为主，对比各种滤波方法的优缺点及适用场合，用中值滤波法作为采集模块的软件滤波方法为宜。

本系统中值滤波法的函数功能实现为：

INT16U AD_Filter(INT8U ch) // ch 为采样通道

｛

循环调用采样单个输入通道函数Read_ADC 9次；

对9次采样结果按从小到大的顺序排序；//

求中间1/3个数据的算术平均值；

返回所得值；

｝

2.5 统软件设计

系统运行过程是：系统上电复位，STM32进行时钟设置，初始化外设，读取配置信息，显示主界面并等待按键输入。当有按键后分别进入设置模式和采集模式。采集模式中自动循环进行AD采集通道设置，再进行一次采集，再切换通道采集，如果是热电偶根据设置采集冷端温度与查表计算温度值，热电阻直接计算出温度值。一轮测试之后进行软件滤波，再更新显示或保存与传输给外部。

除了温度数据的实时显示，还可以回放已存储的温度曲线，并能回显每一时刻温度，方便用户进行温度曲线分析[4]，或简单的温度曲线拟合，从而达到智能化要求。

3 性能测试

测试仪的精度要求是否合格，需要通过实验来检验其精度。测试设备为Fluke 7341恒温槽，测试四个点，为0℃、50℃、100℃和150℃，结果见表1。

表1 温度测试结果分析表

由表2可知，测试仪的测温误差低于0.05℃，满足实际应用要求。

4 结束语

设计并实现了一种手持式高精度智能多路温度测试仪，对测试仪的总体结构进行了描述，详细介绍了以ADS1147为核心的采集模块的设计，还介绍了系统硬件设计中采取的抗干扰措施与软件控制方法。本测试仪可以同时测试多点温度，并能满足用户的精度要求，测试运行表明，该系统精度高，能耗低，软件使用简单快捷，具有较高的推广价值。

[1] 瞿涛,万乐生. 智能仪表热电偶毫伏-温度高精度查表法[J]. 工业仪表与自动化装置, 1992

[2] 季一锦, 尹明德. 一种用于气体浓度检测的无线局域网络系统的设计[J]. 江南大学学报, 2005, 4(1):11-18

[3] 张辉. 浅谈微机控制中的滤波方法[J]. 丹东师专学报,2000, 22(82):30-31

[4] 周泽魁．控制仪表与计算机控制装置[M]．北京：化学工业出版社，2004.