一种基于以太网的远程多通道高精度温度数据采集系统设计
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摘要：根据远程网络应用环境下的温度测量需求，设计出一种基于以太网的远程多通道高精度温度数据采集系统。系统由下位机和远程主机构成，下位机硬件主要由温度传感器、仪用放大器INA128构成的调理电路、A/D转换器MaX1300、32位微控器以及物理网卡芯片构成，上位机为远程PC机。在恒流源的激励下，PT100电压的变化依赖温度的变化，经信号调理、16bitA/D转换后由求解出高次方程的数值根即温度值，然后通过以太网发送给远程主机做处理。系统充分的利用的计算性能，利用牛顿法直接寻找高次方程的数值根即为温度值，其测量精度优于0.1℃。系统长期工作稳定。
一般的温度测量系统中，温度传感器常采用模拟热敏感器件如热电阻、热电偶或热敏电阻，或者集成数字式温度传感器等。其中，热电阻因为其测量精度高、稳定性很高等综合原因在低温测量领域占有一席之地。本文设计的系统采用铂热电阻PT1000为温度传感器，测量范围为-50～250℃，采用高精度恒流源提供激励，利用高性能32位PIC单片机直接用牛顿法寻求传感器的温度值，高次方程寻根计算时间是ms量级，且计算与测量精度优于0.1℃，从硬件电路和数值计算算法两方面共同保证了测量精度和系统的可靠性。
系统总体框图如图1所示，远程端温度数据采集硬件原理框图如图2所示。恒流源激励PT1000产生的电压信号经过调理电路，送给A/D转换器MAX1300，转换的数字量送给32位处理器PIC32MX795计算出温度值。DS1302时钟电路为系统提供时间和日期。液晶显示模块LCD12864用以显示温度、时间和日期等信息。系统内嵌TCP/IP协议栈，可同时采集8路温度信号，并将采集的温度数据经过Internet发送至远程服务器做多元化的分析和处理。
整个系统的精度和稳定能力由恒流源激励和弱信号调理电路的精度、稳定性共同决定，因此，在系统的设计过程中，这两部分需要精心设计。
本文系统中采用具有低失调电压的精密运放OP97为核心设计恒流源电路，为了有效降低系统电源的纹波，电源系统的电压采用变压器降压和线性LDO降压芯片构成的双电源供电，恒流源的设计中，采用由MAX1300的参考电压输出端提供系统的基准电压。由于恒流源电路与A/D转换电路使用同一个参考电压，降低了参考基准电压的漂移对系统测量结果的影响。恒流源电路如图3所示，恒流源的电流值设定为I=10 A，其值由电阻器R4决定。电压基准、运放的静态偏置电流、电阻R2的温度稳定性和精度共同影响该电流源的性能，因此应选择稳定性高的高精度、低温漂电阻。
微弱信号调理电路主要是由INA128、OP97构成的两级放大、滤波电路组成，如图4所示。INA128是仪用放大器，输入偏置电流小、精度高、增益设置和调节简单。通过一个接在INA128的1脚和8脚之间的电阻RG即可设置系统增益，增益G=1+49.4k/RG。系统的测量范围是0～200℃，PT1000对应的电阻值为1000～1940.981，根据恒流源设置，PT1000对应的输出电压为10～19.41mV，弱信号调理电路的输出电压为0～5V。因此，调理电路的放大和滤波设计为250倍放大，2阶低通30Hz滤波，最后送入A/D转换器的电压幅度为：2.5～4.8525V。
A/D转换器采用8通道、16位转换器MAX1300，微控器选用32位处理器PIC32MX795，连接关系如图5所示。MAX1300工作于外部时钟模式，由PIC32MX795的SPI口读写时钟提供A/D转换时钟，REF输出一个4.096V的基准电压作为恒流源参考电压。图6所示为DP83848的网络接口。
PT1000的阻值和温度的关系在-200～850℃范围内满足如下关系式：
温度和电阻值之间的关系不是线性关系，为了更好的提高测量精度，传统的做法是利用近似的方法，分段进行线性化处理，在每一个温度范围内将温度和电阻值的关系看成是线性关系，然后用最小二乘法进行曲线拟合，通常对于计算能力不高的处理器，这种处理方法是一个首选的方案，但是对于PIC32处理器，利用该处理器的强大的计算能力进行科学计算应该是首选的方案。
由精密I=10 A恒流源电路和调理电路可知，A/D转换器件的输入电压为：
下位机利用牛顿迭代法实现温度数据的求取，然后利用精简的TCP/IP协议实现远程数据发送，温度转换及流程如图7所示。
在温度区间0～100℃用不同办法来进行测量的温度与实际温度对照如表1所示，其中实际温度由WZPB-1型一级标准铂电阻温度计进行标定。
由表1的数据分析可知，在0～100℃区间上进行的测量比较，利用铂电阻的物理特性方程直接进行数值寻根计算求取温度值，办法能够保证在整个温度区间上保持精度一致。
与WZPB-1型标准铂电阻温度计的对比实验根据结果得出，由温度传感器PT1000、A/D转换器MAX1300、微控器PIC32MX795和远程PC机构成的数据采集系统，系统结构相对比较简单，工作稳定、可靠，在硬件上保证了测量的精度;利用精简的TCP/IP协议栈实现了测量系统和远程系统之间稳定可靠的数据通信;系统的测温区间为-50～250℃，测量精度优于0.1℃。
