手持式高精度智能多路温度测试仪

电 子 测 试

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）

摘要：针对目前温度检测设备存在着精度低、不便携带、功能单一等问题，基于Cortex-M3内核单片机技术开发出一套多路高精度的手持式智能温度检测系统，实现了对温度数据采集、曲线分析、高低温报警等综合测试设备。经验证，该系统能够有效防止外干扰、具有超低功耗和高分辩率的特点。

关键词：ADS1147；热电偶；USB OTG；ModBus通讯协议

在现代工农业生产中，现场温度是各参数中最重要的参数的之一，对设备仪器的性能和精度有很大的影响，特别是温度精度要求较高或对环境较为恶劣的场地，需要人工值守的环境等，一种方便携带、能自动适应各种场合的测量设备成为必要。为此本文设计了一种基于ADS1147 高精度温度测量测试仪。该系统可以通过模拟开关的切换一次实现4路热电阻温度测量和一路热电偶测量，以高线性度热电阻Pt100为主测温传感器，兼容多种标准热电偶：B、E、J、K、S、T等型号[1]，采用低功耗Cotex-M3内核的STM32为控制核心，运用高集成度的模数转换芯片ADS1147和低功耗LCM JHD508实现数据的采集和显示，既减少了外围器件，也相应的提高了系统的可靠性和便携性。同时在提高系统精度及抗干扰能力等方面进行了探讨。

Portable intelligent high-accuracy multi-channel

temperature tester

Zhang Honghua

(School of Electrical and Information Engineering, Changsha University

of Science & Technology, Changsha 410010, China;)

Abstract：In view of the present temperature testing equipment exists low accuracy, the inconvenience take, single function, based on the Cortex - M3 kernel single-chip microcomputer technology developed a set of multiple precision hand-held intelligent temperature detection system, realize the temperature data acquisition, curve analysis, high and low temperature alarm, and other comprehensive test equipment. It is verified that the system can effectively prevent external interference, with low power consumption and high resolution characteristics.

Keywords：ADS1147; Thermocouple; USB OTG; ModBus communication protocol

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

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电 子 测 试ELECTRONIC TEST 电子科技

第5期2013年3月

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

槽内实际温度（℃）稳定后温度测试值（℃）误差（℃）

00.0350.0355049.983-0.01710099.977-0.023150149.980-0.020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。

参考文献

[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.