摘要：介紹了一種以MSC1210作為核心器件的多通道、高精度、快速溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。著重介紹了以MSC1210構(gòu)成的高精度測(cè)溫模塊。

    關(guān)鍵詞：MSC1210 高精度測(cè)溫 模塊化 多路測(cè)量

在許多傳統(tǒng)行業(yè)中，多路高精度溫度采集系統(tǒng)是不可或缺的。電廠、石化行業(yè)、鋼鐵廠以及制藥廠等企業(yè)使用了大量的各類測(cè)溫器件，如熱電阻、熱電偶等，這些器件需要定期校準(zhǔn)；在嚴(yán)格執(zhí)行GMP規(guī)范的制藥廠等企業(yè)，高溫滅菌需要定期進(jìn)行滅菌率的驗(yàn)證；在某些要求進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制的場(chǎng)合，也需要進(jìn)行多點(diǎn)高精度溫度測(cè)量。這些工作往往需要一多路高精度測(cè)溫系統(tǒng)來(lái)完成。

在被測(cè)溫度變化緩慢的情況下，可以使用多路掃描開(kāi)關(guān)配以一個(gè)高精度測(cè)溫表進(jìn)行多路溫度測(cè)量以及數(shù)據(jù)采集。但在溫度測(cè)量點(diǎn)數(shù)目較多、被測(cè)溫度變化較快的場(chǎng)合，如大量熱電阻、熱電偶的自動(dòng)計(jì)量檢定系統(tǒng)以及高溫滅菌箱自動(dòng)驗(yàn)證系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的掃描式多路溫度測(cè)量系統(tǒng)不無(wú)法滿足要求了。近年來(lái)，隨著高精度A/D轉(zhuǎn)換器件價(jià)格的不斷下降以及A/D轉(zhuǎn)換器件功能的不斷完善，研制廉價(jià)的多路、快速、高精度溫度采集系統(tǒng)成為可能。

美國(guó)德州儀器公司（TEXAS INSTRUMENTS）新近推出了一種功能很強(qiáng)的帶24位A/D轉(zhuǎn)換器的微處理器MSC1210。MSC1210具有一些增強(qiáng)特性，特別適合測(cè)量高精度溫度、壓力傳感器等輸出的微弱信號(hào)。

本文介紹以MSC1210作為測(cè)量、信號(hào)處理以及通訊核心的多路高精度溫度采集系統(tǒng)模塊。該系統(tǒng)測(cè)量通道易于擴(kuò)充，溫度測(cè)量精度高，可以快速地進(jìn)行多路高精度溫度測(cè)量。

圖1 多路高精度測(cè)溫系統(tǒng)框架

1 多路高精度測(cè)溫系統(tǒng)框架

系統(tǒng)由主機(jī)與多個(gè)智能測(cè)溫模塊組成。模塊與主機(jī)之間通過(guò)光電隔離的SPI接口進(jìn)行通訊，使用帶有CRC糾錯(cuò)的自定義指令集控制數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)帶有計(jì)算機(jī)接口（RS232串口以及USB接口）。系統(tǒng)框架參見(jiàn)圖1。

智能測(cè)溫模塊由MSC1210微轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，模塊本身具有完整的信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)修正計(jì)算及變換內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)等功能。為了避免外部干擾對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的影響，SPI接口使用高速光電耦合電路，并采用模塊自帶的穩(wěn)壓電路供電。由于一個(gè)模塊只能處理1～4路溫度，因此可以同步進(jìn)行多組模塊的溫度測(cè)量，大大加快了多點(diǎn)溫度測(cè)量的速度。主機(jī)用來(lái)控制測(cè)溫模塊，從測(cè)溫模塊中讀取溫度數(shù)據(jù)并處理，同時(shí)完成人機(jī)接口以及其它功能。視應(yīng)用場(chǎng)合的不同，主機(jī)可以使用多路類型的單片機(jī)，這里選用ATMEL公司的ATmega128。該款CPU采用Harvard流水線結(jié)構(gòu)以及RISC指令，并具有較大程序容量（128KB）的FLASH，在16MHz主頻下可以達(dá)到16MIPS的處理速度。

2 MSC1210的增強(qiáng)功能及使用注意事項(xiàng)

作為智能高精度測(cè)溫模塊的核心，MSC1210完成了微弱信號(hào)的多路切換、信號(hào)緩沖、PGA編程放大、24位∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)校準(zhǔn)以及SPI通訊等功能。

MSC1210集成了一個(gè)8通道24位∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，采用8051兼容內(nèi)核。與筆者之前使用的ADuC824相比，其有如下增強(qiáng)的功能：

（1）CPU工作頻率可達(dá)33MHz，每條指令只需4個(gè)時(shí)鐘周期，運(yùn)算速度較快。

（2）采用非常靈活的FLASH與SRAM存儲(chǔ)器配置，，可以對(duì)片上FLASH進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)需要設(shè)定程序FLASH與數(shù)據(jù)SRAM所占的比例。該寫(xiě)次數(shù)可達(dá)一百萬(wàn)次，數(shù)據(jù)可保存100年。

（3）片上RAM為1280B，有34個(gè)高電流驅(qū)動(dòng)I/O，可以設(shè)外部存儲(chǔ)器的存取時(shí)間，使用雙數(shù)據(jù)指針提高存取速度，具有完善的節(jié)電功能，還用雙數(shù)據(jù)指針提高存取速度，具有完善的節(jié)電功能，還有電壓監(jiān)視器、21個(gè)中斷源、3個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器以及內(nèi)部時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器（TIC）。

（4）自帶BOOT ROM，可以調(diào)試使用或在程序中調(diào)用內(nèi)置固化程序，完成在線調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、UART通訊以及讀寫(xiě)FLASH等工作，方便了編程以及調(diào)試。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測(cè)溫模塊硬件框圖

    （5）片上24位∑-ΔADC具有一些增強(qiáng)特性：8位輸入通道可以任意配置為單端或差分輸入；有快速、Sinc2、Sinc3三種數(shù)字濾波，同時(shí)有自動(dòng)數(shù)字濾波功能，可以加快A/D轉(zhuǎn)換輸出；帶PGA偏置DAC，可以不引入額外誤差而擴(kuò)大測(cè)量范圍；自帶一個(gè)32位累加器，可以對(duì)ADC輸出數(shù)據(jù)作快速平均處理。

（6）自帶高精度電壓標(biāo)準(zhǔn)，精度為0.2%，漂移為5ppm/℃，可以節(jié)省空間以及器件成本，也可輸出該電壓標(biāo)準(zhǔn)或外接電壓標(biāo)準(zhǔn)。

（7）片上16位PWM，可以作為DAC輸出來(lái)源。

（8）增強(qiáng)的SPI接口可以使用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，在DMA方式下，可以間接尋址RAM，設(shè)定多達(dá)128B的發(fā)送接收FIFO；具有完整的端口驅(qū)動(dòng)以及發(fā)送接收中斷設(shè)定，適合大批量的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)點(diǎn)用CPU資源較少。

MSC1210功能較強(qiáng)且易于使用，但因?yàn)槭切缕骷�，參考資料較少。筆者在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)需要注意如下問(wèn)題：

（1）MSC1210片內(nèi)FLASH分區(qū)只能通過(guò)對(duì)HCR0以及HCR1這兩個(gè)硬件配置寄存器事先編程來(lái)進(jìn)行，在程序運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法設(shè)定或更改分區(qū)比例。在程序運(yùn)行中讀寫(xiě)FLASH時(shí)，要注意讀寫(xiě)地址與調(diào)試時(shí)的地址不同，具體應(yīng)參考存儲(chǔ)器分配表；用戶程序無(wú)法直接讀寫(xiě)FLASH，調(diào)用BOOT ROM中的讀寫(xiě)函數(shù)來(lái)進(jìn)行；與AVR等芯片的EEPROM不同，寫(xiě)入FLASH之前必須先進(jìn)行擦除操作，BOOT ROM中有可調(diào)和場(chǎng)擦除子程序，可以在匯編或C程序中調(diào)用。

（2）在做A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，每次更改PGA放大倍數(shù)需要重新校準(zhǔn)，在需要頻繁切換輸入通道的場(chǎng)合，建議設(shè)定特殊寄存器ADCON1的SM1～0位為00，即進(jìn)入自動(dòng)模式數(shù)字濾波。這樣當(dāng)通道切換后，隨著A/D采樣次數(shù)的增強(qiáng)，數(shù)據(jù)濾波依次為快速轉(zhuǎn)換、Sinc2、Sinc3數(shù)字濾波，可以最大限度地提高轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度。

（3）BOOT ROM中固化的程序?qū)τ贛SC1210的編程和調(diào)試非常關(guān)鍵，其中部分可以在用戶程序中直接調(diào)用，完成數(shù)據(jù)采集、UART輸入輸出等重要功能�？梢酝ㄟ^(guò)串口或并口進(jìn)行編程。

（4）使用TI提供的下載工具及調(diào)試終端，可以對(duì)MSC1210實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。這種調(diào)試會(huì)占用UARTO資源，同時(shí)輔助中斷的入口地址也有變化，這在編程時(shí)需要注意。也可以利用Windows自帶的超級(jí)終端進(jìn)行調(diào)試。與TI終端不同，Windows超級(jí)終端不能自動(dòng)初始化MSC1210使之進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，需要人工進(jìn)行調(diào)試復(fù)位。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測(cè)量以及信號(hào)調(diào)理電路

3 高精度測(cè)溫模塊的硬件描述

MSC1210最多可以配置4組差分輸入通道：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)四線熱電阻的測(cè)量，需要兩組通道來(lái)分別測(cè)量驅(qū)動(dòng)電流及電壓；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測(cè)量，如果采用冰點(diǎn)作為冷端補(bǔ)償，需要一組差分通道；如果采用自帶冷端測(cè)量，則往往需要另外兩組通道測(cè)量冷端熱電阻的溫度。因此，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測(cè)量，同一個(gè)模塊最多有兩路測(cè)溫通道；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量，如果用統(tǒng)一的冷端補(bǔ)償，最多可以有4路測(cè)溫通道。同一模塊的不測(cè)溫通道的切換需要時(shí)間穩(wěn)定信號(hào)以及重新建立ADC測(cè)量輸出，在有速度要求或需要進(jìn)行多值平均的情況下，為了得到較快的測(cè)溫速度，每個(gè)模塊的測(cè)溫路數(shù)會(huì)相應(yīng)減少。這里介紹單通道標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測(cè)溫模塊，其硬件框圖如圖2所示。

模塊采用獨(dú)立的模擬供電（5V）和數(shù)字供電（3V）。在印制板設(shè)計(jì)上，數(shù)字地與模擬地分離，在MSC1210芯片下相連，同樣，為了進(jìn)一步減少外界和數(shù)字電路對(duì)模擬電路部分的干擾，SPI接口與外部之間采用高速光電耦合連接。所有的電源以及信號(hào)接口采用統(tǒng)一的兩邊插針形式，便于直接插入主機(jī)母板。這里將比較有特色的標(biāo)準(zhǔn)熱電阻測(cè)量以及信號(hào)調(diào)理電路繪出，如圖3所示。

在圖3中，分壓電阻R12與R13為運(yùn)算放大器U2提供一個(gè)參考電壓，在R10上產(chǎn)生一個(gè)恒定的電流，經(jīng)Q1輸出。為了減少高精度低溫漂電阻的使用數(shù)量，R10、R12、R13均采用普通電阻。使用高精度低溫漂電阻Rr作為電流檢測(cè)電阻，將輸出電壓信號(hào)經(jīng)R2、R3送往MSC1210的一組差分輸入端，恒定電流通過(guò)四線標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rs，將產(chǎn)生電壓經(jīng)R4、R5送入MSC1210的另一組差分輸入端，經(jīng)MSC1210進(jìn)行四線法測(cè)量電阻的計(jì)算，以消除鉑電阻溫度計(jì)引線的影響。R2、R3、R4、R5是限流電阻，防止輸入電壓過(guò)高損壞MSC1210；D1、R6、C12提供一個(gè)參考電壓，使MSC1210有合適的差分電壓輸入。由于使用MSC1210的內(nèi)置電壓標(biāo)準(zhǔn)輸出，電容C9、C10、C11是不可缺少的。MSC1210具有內(nèi)置PGA（1～128），因此無(wú)需放大電路即可直接測(cè)量微弱信號(hào)。

4 高精度測(cè)溫模塊軟件的描述

在多路高精度測(cè)溫系統(tǒng)中，測(cè)溫模塊能獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、擬合修正、分度轉(zhuǎn)換、與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，并通過(guò)SPI接口向上位機(jī)（主機(jī)）發(fā)送測(cè)量到的溫度數(shù)據(jù)，接收上位機(jī)發(fā)來(lái)控制指令，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及校準(zhǔn)操作。與上位機(jī)通訊的指令采用不定長(zhǎng)的ASC代碼指令，用不同的信令頭（SOT）代表不同的控制，并有CRC糾錯(cuò)以保證數(shù)據(jù)正確傳輸，信令有統(tǒng)一的結(jié)束碼（EOT）。

在測(cè)溫模塊的MSC1210的程序功能中，分度轉(zhuǎn)換是重要的組成部分，也是耗時(shí)較多的計(jì)算過(guò)程，這里簡(jiǎn)要說(shuō)明一下。

對(duì)于高精度溫度測(cè)量，需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題是溫度傳感器的選擇。對(duì)于熱電阻與熱電偶，有標(biāo)準(zhǔn)傳感器與工業(yè)傳感器之分，這里選擇精度較高的標(biāo)準(zhǔn)傳感器，并根據(jù)ITS-90國(guó)際溫標(biāo)以及中國(guó)相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程進(jìn)行分度轉(zhuǎn)換。

與工業(yè)熱電阻、熱電偶不同，標(biāo)準(zhǔn)熱電阻或熱電偶的分度計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，簡(jiǎn)單的查表計(jì)算或曲線擬合一般很難達(dá)到分度轉(zhuǎn)換的精度要求。以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)為例，它使用一組規(guī)定的定義固定點(diǎn)和參考函數(shù)以及相應(yīng)的差值函數(shù)內(nèi)插，在0～419.527℃溫區(qū)內(nèi)，溫度t由下列公式確定：

其中，Wr(t)為參考函數(shù)，Ci與Di為系統(tǒng)，ΔW8（t）為差值函數(shù)，W（t）為電阻比，a8與b8為具體標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的分度系數(shù)，可以通過(guò)具體溫度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果Wzn、Wsn、W100等參數(shù)計(jì)算得到。在選擇了相應(yīng)的熱電阻之后，將該參數(shù)通過(guò)SPI接口的通訊控制指令輸入測(cè)溫模塊。

可以看到，MCU只有具有較快的運(yùn)算速度，才能在每次ADC輸出數(shù)據(jù)后及時(shí)將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，分度計(jì)算、誤差修正、數(shù)值處理以及通訊控制等均由MSC1210完成。修正到上位機(jī)的是測(cè)量得到的溫度值，這樣上位機(jī)即使在配置多個(gè)測(cè)溫模塊的情況下也能從容完成處理工作。

MSC1210是較有特色、功能較強(qiáng)的一種新器件，特別適合于智能變送器、高精度測(cè)量?jī)x器儀表等應(yīng)用領(lǐng)域。這套多路高精度溫度采集系統(tǒng)充分利用了MSC1210的新功能、新特性，采用智能測(cè)溫模塊與主機(jī)通訊的設(shè)計(jì)方式，以較多的成本完成了多點(diǎn)快速溫度測(cè)量。筆者使用這套多路高精度溫度采集系統(tǒng)作基礎(chǔ)硬件，配以PC機(jī)的控制軟件，完成了套應(yīng)用于不同場(chǎng)合的自動(dòng)溫度測(cè)量及控制系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用情況良好。