溫顯示儀表軟硬件設(shè)計(jì)技巧
　l、溫顯示儀的硬件設(shè)計(jì)
　　
　　本儀表的硬件電路部分主要是有溫、通道獨(dú)立電源電路，溫、采樣電路，信號(hào)調(diào)節(jié)電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，光電隔離電路，處理器采用AT89S52單片機(jī)，同時(shí)還有LED顯示電路，通訊電路，鍵盤電路等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。以下將對(duì)各部分的電路做相應(yīng)的介紹。

　　
　　1.1溫度變送器
　　
　　非電量的溫度信號(hào)通過變送器形成4～20mA電量信號(hào)。本方案中采用了奧地利E+E公司的EE10-FT6的高性能溫綜合變送器。
　　
　　EE10一FT6產(chǎn)品特點(diǎn)：
　　
　?。?）24VDC供電；
　　
　　（2）溫度量程：O～50℃；量程：0～100％；
　　
　?。?）溫度精度：±0.1℃；精度：1.0％；
　　
　?。?）輸入阻抗：≤500Ω；
　　
　?。?）接線方式：三線（電源正端、溫度輸出線、輸出線）。
　　
　　1.2隔離測(cè)量技術(shù)
　　
　　常規(guī)溫度測(cè)量，往往將溫度、信號(hào)共地，利用一套測(cè)量電路即可。在本方案中，變送器的輸出要先行接入溫顯示儀（前端），再串接于DDC（直接數(shù)字控制器）后端構(gòu)成變送器回路，變送器電源由DDC來提供，因此由變送器輸出的兩路共地信號(hào)在前端需要進(jìn)行隔離測(cè)量，以消除對(duì)后端測(cè)量的影響。即兩端串聯(lián)并同時(shí)測(cè)量一對(duì)共地信號(hào)。對(duì)于模擬量隔離測(cè)量，筆者曾經(jīng)考慮3套方案：
　　
　　方案一"虛"隔離，即采用差分測(cè)量技術(shù)，將差分一端經(jīng)過一適當(dāng)電阻接地，這種方案成本zui低，但是對(duì)于運(yùn)放的要求十分苛刻，而且穩(wěn)定性不高。
　　
　　方案二采用線性光耦隔離，但線性光耦難以調(diào)試，離散性大，需要周邊元器件多（運(yùn)算放大器），而且光耦前端仍需隔離電源，后端仍需模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
　　
　　方案三采用兩組獨(dú)立測(cè)量電路，然后通過普通光耦與處理器接口，需要兩套隔離電源，兩組測(cè)量部分，成本稍高，但此種方案zui可靠，調(diào)試方便，因而zui終被采用，如圖2所示。

　　
　　l.34～20mA電流測(cè)量
　　
　　采樣電阻采用125Ω／0.1％精密電阻，這樣，只需測(cè)量O.5～2.5V電壓信號(hào)即可。
　　
　　1.4放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用
　　
　　本溫顯示儀模擬信號(hào)變換采用TI公司的軌對(duì)軌運(yùn)放TLC2252，該放大器zui大的特點(diǎn)一是輸出可達(dá)電源滿幅，二是失調(diào)電壓較小，0.5mV，價(jià)格較低，適合本儀表應(yīng)用。

　　
　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采用TI公司的ADS1286U，此芯片主要性能有：
　　
　?。?）分辨率：12位；
　　
　?。?）zui高采樣頻率：20kHz；
　　
　?。?）INL：±2LSB／max；
　　
　?。?）DNL：±1LSB／max；
　　
　?。?）接口方式：兩線制
　　
　?。?）參考電壓：外接。
　　
　　1.5分辨率及精度
　　
　　本儀表需要滿足的要求：分辨率方面，溫度顯示到O.01℃，顯示到0.1％；精度方面，要達(dá)到與自控系統(tǒng)的DDC測(cè)量值之間的誤差不得大于±0．03℃。這樣的苛刻要求使得本儀表在軟硬件方面都必須做的非常到位。
　　
　　1.6數(shù)字濾波技術(shù)
　　
　　為滿足以上分辨率及精度的要求，除了在硬件上選擇性價(jià)比高的元器件以及較高的PCB板技術(shù)外，在軟件上做了較多的工作。因?yàn)闇囟任锢砹渴菓T性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)較大，量值不會(huì)產(chǎn)生突變，故濾波時(shí)間可以很長。本儀表中采用多次測(cè)量排序取中值然后再進(jìn)行一階慣性濾波的方法，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

　　
　　其中Xn-1為上次實(shí)際溫值；Xn-2本次經(jīng)過排序取來的中值；Xn為當(dāng)前的溫值；A為濾波時(shí)間常數(shù)，作為系數(shù)。
　　
　　這樣做的目的是防止某些測(cè)量突變，以及滿足慣性物理量的測(cè)量，使得測(cè)量值不會(huì)頻繁跳躍，可以滿足需求。
　　
　　1.7網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)
　　
　　本儀表采用RS485通信，通信規(guī)約為MODBUS-RTU，然后通過MODBUS-PROFIBUS網(wǎng)關(guān)與西門子DDC通信，波特率為38.4kb／s?？偩€采用輪詢方式，后臺(tái)機(jī)對(duì)各個(gè)房間溫進(jìn)行采集，作為房間溫度集中監(jiān)控的依據(jù)。
　　
　　1.8精度校準(zhǔn)及參數(shù)
　　
　　本儀表出廠前均已校準(zhǔn)，但考慮到長期運(yùn)行后，元器件老化及環(huán)境溫度的變化，可能會(huì)造成儀表出現(xiàn)精度偏差，故儀表上設(shè)有精度校準(zhǔn)功能。校準(zhǔn)時(shí)，需要一只標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)表，按照顯示提示，分別將信號(hào)源調(diào)至各檔位，然后由儀表自動(dòng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)值存入非易失性存儲(chǔ)器中。
　　
　　本儀表具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)校功能，調(diào)節(jié)電位器旋鈕可使得溫度在某個(gè)短量程范圍內(nèi)更加。
　　
　　所有的參數(shù)設(shè)定都可通過網(wǎng)絡(luò)或儀表按鍵進(jìn)行操作，掉電不丟失。
　　
　　2、溫顯示儀的軟件設(shè)計(jì)
　　
　　主要程序包括：溫度測(cè)量子程序、測(cè)量子程序、鍵盤掃描及實(shí)現(xiàn)子程序、校準(zhǔn)子程序，其中測(cè)量子程序內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、形成顯示數(shù)據(jù)等；鍵盤掃描及實(shí)現(xiàn)子程序內(nèi)嵌顯示頁面切換、參數(shù)設(shè)定、校準(zhǔn)確認(rèn)等；校準(zhǔn)子程序內(nèi)嵌雙通道切換校準(zhǔn)及校準(zhǔn)數(shù)值存儲(chǔ)等。中斷服務(wù)程序包括：定時(shí)器中斷（用于顯示）子程序、通信中斷子程序。主程序?yàn)橐来窝h(huán)執(zhí)行，綜合外部操作（鍵盤），實(shí)現(xiàn)儀表多重功能；中斷服務(wù)程序可以隨時(shí)中斷主程序的執(zhí)行，兩者互不影響。
　　
　　本儀表中模數(shù)轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵，除了在硬件上保證信號(hào)的較好處理外，軟件上的處理就顯得很重要了，下面給出模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1286的訪問程序，此芯片的DATASHEET上時(shí)序邏輯只是一個(gè)基本的過程，具體要得出可靠的數(shù)值，需要在調(diào)試中摸索，這個(gè)程序是筆者調(diào)試好的，效果不錯(cuò)。

　　
　　說明：本子程序轉(zhuǎn)換后的12位AD值存放于02H／03H中。

　　
　　說明：本中斷服務(wù)程序?yàn)镸ODBUS從站響應(yīng)程序，本儀表只用到MODBUS功能碼中的03號(hào)及06號(hào)，即模擬量遙測(cè)及參數(shù)設(shè)定。
　　搜索關(guān)鍵詞：恒溫恒濕試驗(yàn)箱、高低溫濕熱試驗(yàn)箱