基于CS5513 的RTD溫度采集模塊實(shí)現(xiàn) 

 謝夢(mèng)   張博

         （南大傲拓科技江蘇有限公司  江蘇南京）        

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種NA200PLC的RTD擴(kuò)展模塊，主要運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度傳感器信號(hào)的采集和處理。本文分析了A/D芯片CS5513的原理，設(shè)計(jì)了RTD信號(hào)采集的硬件電路與軟件實(shí)現(xiàn)流程。本模塊利用CS5513這款20位高精度Δ-ΣADC進(jìn)行多通道RTD信號(hào)的采集和處理。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，該模塊具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)、精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：RTD；Δ-Σ；總線(xiàn)；N200PLC；20位A/D轉(zhuǎn)換器。

Abstract: A RTD expansion module of NAPLC is designed in this article, which is mainly used in temperature sensor signal acquisition and processing in the industrial field. This paper describes the principle of CS5513, hardware circuits, and the main software flowcharts.The module uses the Δ-Σ ADC CS5513 of 24 bit high precision to collect and process the RTD signal in multi-channel. After practice verification, this module has some advantages, such as low-cost, high practicability,high precision high reliability and so on.

Key words: RTD；Δ-Σ；Bus；N200PLC；20 bit A/D converter。

1 引言

工業(yè)控制行業(yè)中需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)進(jìn)行采集和處理，一般用于工業(yè)控制中的基本模擬信號(hào)采集（AI）模塊有三類(lèi)：電壓或電流型模擬量信號(hào)輸入模塊、熱電阻（RTD）輸入模塊、熱電偶（TC）輸入模塊。其中熱電阻是工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)用來(lái)測(cè)量中低溫度區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)傳感器。它的主要特點(diǎn)是有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定的工作性能。

本文主要設(shè)計(jì)了一款基于Δ-Σ 型ADC芯片CS5513的四通道RTD信號(hào)采集模塊，該模塊是作為南大傲拓公司研制的小型PLC NA200CPU的擴(kuò)展模塊，主要是將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的四路RTD信號(hào)通過(guò)ADC芯片CS5513轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過(guò)隔離的總線(xiàn)上送給NA200CPU模塊。

2 總體設(shè)計(jì)

圖1為NA200PLC的RTD擴(kuò)展模塊NA200AIM201-0403的總體設(shè)計(jì)框圖，該模塊由輸入信號(hào)檢測(cè)電路、通道選通電路、恒流源電路、信號(hào)調(diào)理電路、轉(zhuǎn)換電路、通訊電路、電源轉(zhuǎn)換電路、CPU電路等組成。模塊通過(guò)接線(xiàn)端子引入四路現(xiàn)場(chǎng)RTD信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到某通道有RTD信號(hào)輸入時(shí)選通相應(yīng)通道，利用自制高精度恒流源電路產(chǎn)生一個(gè)高精度的恒定電流，采集通道RTD電阻上的電壓，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，經(jīng)過(guò)CS5513進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過(guò)隔離的串行總線(xiàn)送入CPU單元，CPU電路負(fù)責(zé)將采集的RTD數(shù)據(jù)通過(guò)NA200的高速內(nèi)部總線(xiàn)上傳至NA200CPU模塊，從而完成RTD信號(hào)的采集。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

3  A/D芯片選用和原理

3.1   A/D芯片選用

對(duì)于模擬量輸入采集模塊，AD轉(zhuǎn)換芯片的選用是關(guān)鍵，鑒于現(xiàn)在小型PLC市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的現(xiàn)狀，不僅要滿(mǎn)足精度要求、功耗、可靠性等基本因素，還要考慮多通道集成及低成本設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，為客戶(hù)帶來(lái)高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品。本次設(shè)計(jì)采用的AD芯片CS5513是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的20位串行輸出Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它最大的優(yōu)點(diǎn)就是具有20位采樣精度且成本較低，其8腳SOIC封裝形式可以最大限度的節(jié)省設(shè)計(jì)空間；同時(shí)片上自帶振蕩器，無(wú)需外加時(shí)鐘源，使AD外部電路設(shè)計(jì)更加的簡(jiǎn)單。該產(chǎn)品包含一個(gè)4階的Δ-Σ 調(diào)制器和一個(gè)濾波器，可有效地抑制線(xiàn)性噪聲。可以使用5V的電源進(jìn)行供電，也可以使用其他多種雙電源的配置，是將工業(yè)控制中的雙極性信號(hào)數(shù)字化的理想選擇。

3.2  CS5513的工作原理

如圖2所示，CS5513芯片內(nèi)部自帶片上的振蕩器頻率為64KHz，上電后振蕩器和時(shí)鐘門(mén)就開(kāi)始工作，同時(shí)CS5513也開(kāi)始循環(huán)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作更新輸出寄存器。CS5513內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字濾波器可以提供最高為107Hz的轉(zhuǎn)換速率，該數(shù)字濾波器對(duì)連續(xù)4個(gè)轉(zhuǎn)換周期的轉(zhuǎn)換值進(jìn)行取平均值后輸出，所以在使用該芯片時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：第一是在初次上電之后或者從休眠狀態(tài)返回之后，該濾波器需要4個(gè)轉(zhuǎn)換周期才能得到第一個(gè)有效的轉(zhuǎn)換值；第二是在對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，在進(jìn)行通道切換后，必須經(jīng)過(guò)4個(gè)轉(zhuǎn)換周期才能得到有效的轉(zhuǎn)換值。所以在上電或者是切換后執(zhí)行采樣程序時(shí)要對(duì)前四次的采樣值要進(jìn)行濾波。

圖2  CS5513的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖3為CS5513基本時(shí)序圖，當(dāng)輸出寄存器有新的數(shù)據(jù)，而此時(shí)芯片CS管腳處于低電平時(shí)，SDO管腳將變?yōu)榈碗娖剑砻鬟@時(shí)候有新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放入輸出寄存器中。要讀出所有的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)需要發(fā)送24個(gè)CLK脈沖，在CLK脈沖的上升沿，從SDO管腳讀出數(shù)據(jù)，在CLK脈沖的下降沿，將輸出寄存器中的數(shù)據(jù)輸出到SDO管腳，而當(dāng)整個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被讀完SDO管腳又呈現(xiàn)高阻態(tài)。

如果在讀取狀態(tài)中新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)又完成了，那么新轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)將丟失，輸出寄存器不會(huì)被新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)更新。當(dāng)SDO管腳下降為低電平后，如果用戶(hù)不讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，那么在下一個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)有效之前，SDO管腳將保持17個(gè)振蕩時(shí)鐘周期的高電平，然后再下降為低電平，表示新的一次轉(zhuǎn)換完成。

圖3   CS5513基本時(shí)序圖

3.3  A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

   RTD擴(kuò)展模塊的A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖4所示，外部通道熱電阻信號(hào)輸入采用三線(xiàn)制（可有效的克服線(xiàn)電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差），通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路來(lái)選通要測(cè)量的通道，同時(shí)采集熱電阻上的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生VIN信號(hào)。VIN再經(jīng)過(guò)一級(jí)低通RC濾波輸入給A/D轉(zhuǎn)換芯片的AIN+端，A/D芯片信號(hào)輸入方式采用單端輸入（使電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單），所以將AIN-連接模擬量地電平。A/D芯片的基準(zhǔn)電壓VREF由ADI公司的5V基準(zhǔn)源芯片組成的電路提供，如圖4中的U20所示。同時(shí)，為了提高模塊的測(cè)量精度，減少數(shù)字脈沖、噪聲對(duì)模擬信號(hào)的干擾，特對(duì)CPU電路和A/D轉(zhuǎn)換電路之間的串行通訊接口進(jìn)行了電氣隔離設(shè)計(jì)，CPU傳輸?shù)闹噶睢?shù)據(jù)信號(hào)并不直接與AD相連而是通過(guò)高速光耦進(jìn)行隔離連接。

圖4   A/D轉(zhuǎn)換電路

4  CPU軟件設(shè)計(jì)

RTD模塊的軟件部分采用的編程調(diào)試軟件是Keil，Keil是目前最流行的開(kāi)發(fā)MCS-51系列單片機(jī)和ARM系列MCU的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理及一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)環(huán)境。使用Keil C開(kāi)發(fā)程序具有效率高，可讀性好等優(yōu)點(diǎn)。

4.1  主程序設(shè)計(jì)

   如圖5所示，程序首先上電對(duì)CPU、高速內(nèi)部總線(xiàn)和溫度測(cè)量電路相關(guān)變量寄存器進(jìn)行進(jìn)行初始化，讀取用戶(hù)配置的模塊類(lèi)型，通過(guò)報(bào)警燈來(lái)指示模快連接是否正確、運(yùn)行是否正常；然后根據(jù)高速內(nèi)部總線(xiàn)接收的數(shù)據(jù)是否結(jié)束來(lái)進(jìn)行兩個(gè)分支程序的運(yùn)行。

   分支1：如果總線(xiàn)數(shù)據(jù)未接收完成，則組織本模塊的信文，執(zhí)行AI數(shù)據(jù)采集程序，當(dāng)程序執(zhí)行過(guò)程中，如果總線(xiàn)數(shù)據(jù)接收完成則執(zhí)行分支2程序。

分支2：如果總線(xiàn)數(shù)據(jù)接收完成，則對(duì)總線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，查看數(shù)據(jù)傳輸是否正確；然后對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括下載測(cè)點(diǎn)信息、熱電阻類(lèi)型加載等；數(shù)據(jù)處理完成對(duì)接收區(qū)進(jìn)行清空操作；完成以后回到分支1，組織本模塊的信文，然后執(zhí)行AI數(shù)據(jù)采集和處理程序，最后再次組織本模塊的信文。如此反復(fù)的執(zhí)行程序循環(huán)。

   圖5   主程序流程圖

4.2  AI數(shù)據(jù)采集及處理程序設(shè)計(jì)

   本次模塊設(shè)計(jì)的AI數(shù)據(jù)的采集及處理程序主要是按照以下的流程來(lái)實(shí)現(xiàn)：選通要采集的通道、然后通過(guò)RTD在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電路告知CPU是否測(cè)量該通道；如果RTD在線(xiàn)，則執(zhí)行AD數(shù)據(jù)采樣子程序，采樣完成要求的采集次數(shù)（SampleNO)后，通過(guò)計(jì)算采樣值子程序來(lái)獲得相應(yīng)的溫度值，其中為了獲得準(zhǔn)確的溫度值，在計(jì)算采集值程序中利用定制的高精度電阻來(lái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將校準(zhǔn)后的電阻值通過(guò)去線(xiàn)電阻處理和查表計(jì)算轉(zhuǎn)換為溫度值；并針對(duì)RTD為慢變量這一特點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字濾波，對(duì)采集的溫度值進(jìn)行去抖濾波處理消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，最后才得到真實(shí)的RTD溫度值，并上送給CPU模塊。

 圖6   AI數(shù)據(jù)采集及處理程序流程圖

5  RTD溫度采集模塊在NA200PLC中的應(yīng)用

本文實(shí)現(xiàn)的是南大傲拓公司小型NA200PLC 的RTD擴(kuò)展模塊，該擴(kuò)展模塊提供了4路RTD輸入通道，主要應(yīng)用于對(duì)精度要求較高的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度采集，在實(shí)際應(yīng)用中與南大傲拓的NA200CPU模塊配套使用，以下介紹了利用NA200CPU以及標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)本模塊進(jìn)行精度測(cè)試如下圖7所示，熱電阻采用三線(xiàn)制輸入方式（采用三線(xiàn)制連接的主要目的是去除線(xiàn)電阻對(duì)所測(cè)溫度值的影響，較兩線(xiàn)制精確，較四線(xiàn)制經(jīng)濟(jì)）。

圖7  NA200CPU與溫度采集模塊實(shí)物連接圖

通過(guò)南大傲拓自主設(shè)計(jì)的NA200Pro編程軟件可以設(shè)置Pt100、Cu50和Cu53等多種RTD類(lèi)型，測(cè)量范圍可以達(dá)到-200℃~650℃，如圖8所示設(shè)置熱電阻的信號(hào)輸入類(lèi)型為PT100，即輸入100Ω電阻時(shí)，對(duì)應(yīng)的理論溫度值為0℃，通過(guò)下表查看輸入電阻為100Ω時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度值為-0.1℃（測(cè)點(diǎn)表1個(gè)碼值對(duì)應(yīng)0.1℃），測(cè)量精度達(dá)1‰，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該模塊已成功應(yīng)用于大型水冷空調(diào)機(jī)組、印染機(jī)械、恒溫室控制和小型供熱機(jī)組控制等多項(xiàng)工程。

圖8  NA200Pro軟件測(cè)點(diǎn)信息表

6  總結(jié)

   本文介紹了一種基于CS5513 A/D芯片的多通道溫度采集模塊，總體介紹了模塊的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)詳細(xì)介紹了CS5513芯片的結(jié)構(gòu)工作原理和A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)硬件電路，重點(diǎn)給出了模塊的軟件設(shè)計(jì)方法和該模塊在NA200PLC系統(tǒng)中的應(yīng)用。經(jīng)多項(xiàng)工程驗(yàn)證此RTD測(cè)量模塊運(yùn)行可靠、工作穩(wěn)定、采集數(shù)據(jù)精度較高，是小型控制系統(tǒng)中RTD采集的有效解決方案。

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