基于ARM的高精度温度测量系统的开发外文翻译资料

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基于ARM的高精度温度测量系统的开发

YiXianjun，Liu Cuimei

武汉理工大学电气与信息工程学院

中国人民解放军武汉大学693号

430073

电邮：xjuny@163.com

摘要：本文介绍了采用ARM处理器LM3S1138作为控制核心的高精度温度测量系统。在温度测量电路中，传感器Pt100的电流驱动电路和A/D转换电路采用相同的参考电压，使得A/D转换结果仅取决于铂电阻随温度的变化值Delta;，而不会受到传感器恒流驱动电流稳定性的影响和A/D转换器的参考电压精度，该设计方法有效地提高了系统硬件的采样精度。在测量误差的软件校准中，采用最小二乘法拟合“采样值-温度”曲线与各种温度段的测量数据相关，它抵消了铂电阻信号从铂电阻到A/D转换之间的各种中间环节发生的偏差。在温度测量过程中，ARM处理器进行实时计算，根据A/D采样值得到最终温度测量结果，并结合拟合的多项式。 实际测量结果表明，系统温度偏差小于0.05℃。

关键词：ARM，高精度测量，温度检测电路，最小二乘法，曲线拟合。

1.引言

温度是工业生产中非常重要的参数之一，温度检测和控制的准确性会影响生产状态和产品质量。因此，在许多工业领域中，它们对温度测量和控制的准确性有很高的要求。在化学工业的组合苏打工艺生产技术中，外冷却器液体的进出口温差需要固定值，低于或高于固定值都会产生显着的负面影响。显然，较高的温度测量精度可以保证温差控制精度。针对这种情况，系统采用ARM处理器作为控制核心，采用铂电阻作为温度元件，对温度信号进行检测。虽然Pt100具有高精度，高稳定性等优点，但是在以Pt100为检测元件的温度测量系统中，如果想要进一步提高测量精度，则存在一些实际困难。首先，关于硬件电路，除了能够检测和放大信号的微小变化外，它还必须能够补偿电路组件工作期间由零点调整电路、偏置电路Etc和温度漂移等电路引起的精度误差。同时，对后期铂电阻的信号调理电路有很高的要求。另一方面，在温度测量系统的设计中，一般以某些规格的温度元件为对象，但在铂电阻温度测量元件的批量生产中，相同规格的产品误差是控制在一定范围内的（如A级铂电阻Ptl00A，0℃时电阻允许偏差为plusmn;0.060Omega;），生产中忽略了相同规格的各种检测元件的差异，使得温度测量系统的测试结果在标称允许偏差范围内变得不确定，因此温度测量精度的提高受到限制。

基于此，在介绍了温度测量系统的电路结构后，给出了一个能满足高精度测量需求的硬件信号检测电路，然后针对特定的铂电阻，使用测量数据，结合曲线拟合分析方法，可得到应用于各温度段的d-t温度测量多项式（d为A/D样本值，t为温度）。以d＆t为参数的拟合方法可以抵消Pt100A温度测量中铂电阻与A/D转换信号之间各个中间环节的偏差，使系统的温度测量更加准确。

2.系统硬件设计

2.1系统硬件原理图

温度测量系统采用LM3S1138作为控制核心。 LM3S1138是第一款基于ARM -M3内核的处理器，该处理器具有32位数据处理能力，其内部集成了可编程系统定时器（SysTick），系统时钟可以倍频至高达200MHz，足以满足在线需求（实时）计算温度误差软件补偿的需要。同时，它包含大量片上外设：8个通用I / O端口（GPIO）PORTA-PORTG，3个异步通信端口（UARTO-UART2），2个I2C总线接口（I2C0、12C1），32位定时器和A / D转换器等，为连接其他外部电路带来了极大的便利。

温度测量系统的硬件原理图如图1所示。温度测量部分由信号放大单元、滤波电路、A/D转换和基于传感器的恒流源驱动电路组成；采用嵌入式ST7920控制器的LCD模块作为信息显示器（基于LM3S1138的I/O端口软件模拟SPI总线与LCD模块连接）;使用独立型键盘设置系统参数; RS-232转换器电路与PC通信，通过Modbus协议交换数据，可以通过PC实现温度测量系统的监控。

图1 温度测量系统硬件原理图

2.2温度测量电路和分析

温度测量电路主要由恒流源电路、信号放大、有源滤波和A/D转换电路组成，具体电路如图2所示。

双运算放大器构成一个恒流源电路，如图2所示，通过的电流是/，即驱动电流Pt100A是：

/（1）

图2 温度测量电路

精密运算放大器OP77构成信号放大单元，为了消除铂电阻引线电阻r的影响，Pt100A采用三线制连接。取R0 =100.00Omega;（即Ptl00A在0℃时的电阻），电路的放大是对应于Delta;的电压信号，当铂电阻Delta;取0℃作为参考点时，是随温度变化的电阻。当R2= R3gt; gt;R0时，放大后的输出电压为：

（2）

其中，K是放大器增益。

MAX7403为高阶低通有源滤波器，传输频段信号增益为0dB，对应于频率的信号增益高于衰减-80dB的截止频率。由于温度是变化较慢的信号，所以将滤波器的截止频率设置在38Hz左右，可以有效滤除系统电源引起的50Hz电力线干扰。

MAX1169是16位串行A/D转换器。它使用I2C总线连接ARM处理器LM3S1138，LM3S1138用于控制A/D转换和读取数据。由于通带内的预滤波器电路的信号增益没有衰减，因此A/D器件的输入电压Vi是放大器单元的输出电压Uo。由于A / D器件也采用（恒流源电路）作为参考电压，A/D转换结果d与ADC输入模拟信号Uo之间的关系如下所示：

（3）

其中，n表示A/D转换器的位。

通过表达式（2）、（3）和（4）可以获得：

（4）

显然，当放大单元增益K和电阻值恒定时，A/D转换结果仅取决于铂电阻随温度变化的变化值，并且不受传感器恒流驱动稳定性和A/D转换器的参考电压精度的影响。传感器Ptl00A和A/D转换电路的电流驱动电路采用同一个参考电压，这种方法有效地提高了电阻变化的检测精度。

3.“样本值-温度”曲线拟合和温度测量计算

通过表达式（4）可以得到更高的的检测精度。然而，在实际应用中，足够理想的温度测量精度不能通过表达式（4）得到，有很多原因，比如R和t之间的关系不是线性的，运算放大器零点调整电路和偏置电路的误差、滤波器的衰减、温度漂移和A/D的非线性等等。为了抵消Pt100A温度测量中A/D转换的各种中间环节引起的偏差，在曲线拟合过程中，得到A/D转换的采样值d与温度t之间的关系，即为铂电阻进行后级信号调理电路和A/D转换电路整体补偿。由于考虑了信号调理电路的误差，这种拟合d-t曲线的方法可以获得比拟合铂电阻R（r）曲线更高的温度测量精度。在获得d-t曲线后，如果可以读取采样结果d，则可以通过在线计算获得温度值。

3.1原始数据的获取和预处理

硬件设计用于获取用于拟合“样本值-温度”曲线的原始数据。将恒温槽作为温度场，在同一温度点进行10次连续采样，得到S1~S10的采样结果，并将采样结果S1~S10作为一组数据记录。在测量原始数据之后，可以对测量数据进行数字滤波处理，排除每个采样点处的十个数据的最大值和最小值，并将剩余的八个数据的平均值作为最终样本值d，因此，在该数据点处，获得一组数据（di，ti）。在实验中测量了0-96℃切片中的980多组数据（在采样点约为0.1℃）。因为它涉及更多的数据点，为了便于表达，选择一个简短的部分来描述。 28℃~38℃的部分测量数据如表1所示。

表1 28℃~38℃的部分测量数据

3.2实现曲线拟合

为了逼近温度测量电路的真实曲线，将获得的拟合曲线的方法应用于整个温度测量范围，即使用多项式在每个约10℃进行拟合。拟合多项式具有以下形式：

(5)

其中，、、 ......是将获得的系数。

为了获得更准确的表达式，使用三次多项式来拟合数据进行处理。使用最小二乘法确定拟合曲线的多项式系数、、、。

测量结果di的数据值在表1中非常大，如果使用di作为基本数据进行拟合，这将降低精度，因此，在拟合之前对di数据进行归一化[8]，归一化表达式为：

（6）

然后在归一化后拟合温度和样本值以获得拟合多项式。

如果min（d）= 13944，则max（d）= 18371，在28℃~38℃范围内，标准化后的dirsquo;与温度ti之间的拟合函数为：

t（drsquo;）= 0.0112 0.0216 2.6183d#39; 33.6232（7）

在0℃-96℃的温度范围内，通过拟合得到各范围的多项式系数，如表2所示。

表2 0℃-96℃的温度范围内多项式系数

3.3在线计算温度测量结果

ARM处理器LM3S1138具有32位计算精度和足够高的工作频率，足以满足温度测量结果和速度的在线计算精度要求。采样值di由A/D转换器得到，选择相应的多项式系数，实时计算测量温度。例如，如果采样值为[13944,18371]间隔（采样间隔对应于28℃~38℃温度段），则可以通过表达式（6）和（7）获得测量对象的准确温度值。类似地，可以通过A/D转换器获得采样值di，计算得其他温度区间的精度测量结果。

4．测量精度和误差的分析

各

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资料编号：[659]

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