《智能仪器设计基础》课件 第11章 智能仪器设计要求与实例

第11章智能仪器设计及实例智能仪器设计基础1目录第11章智能仪器设计 11.1智能仪器的设计要求、方法及步骤 11.1.1智能仪器设计的基本要求 11.1.2智能仪器设计方法 11.1.3智能仪器的设计步骤 11.2智能仪器的总体设计 11.3RTD温度变送器设计 11.4多通道同步数据采集 习题11 2概述3

智能仪器种类繁多，例如按应用背景可以分为工业过程控制与自动化仪器（仪表）、生物医疗仪器、航空航天仪器、汽车仪器（仪表）、测试计量仪器、地球探测仪器、气象仪器、天文仪器等。各类仪器最终需要完成各种物理量的测量，仪器需要与微控制器相结合，由智能仪器来实现时，原理与结构的差别会非常大，有些会非常复杂，

因此仪器设计很难有一个统一的方法。但在这些智能仪器有一些共性问题，如信号调理电路、数据转换电路、通信电路等，通过这些共性问题，可以掌握智能设计的基本方法，智能仪器的设计流程、方法、要求、步骤等也存在一定的共性，通过这些共性的学习，可以为设计不同类型的智能仪器提供基本参考。

本章介绍智能仪器设计方面的基本要求、方法、步骤以及总体设计等，通过二个个实例说明智能仪器的设计。11.1智能仪器的设计要求、方法及步骤4智能仪器是一种以微处理器为核心的电子仪器，但也与纯粹的电子仪器具有不同的特点，智能仪器除了涉及微处理器、电子电路外，还涉及传感器、检测技术、光学、机电系统等。要设计先进、可靠的智能仪器，需要深入掌握各类微处理器和电子电路等的原理和设计方法，还要掌握相应的硬件设计工具和软件设计工具与方法，也需要掌握各类物理量的测量原理等。在此基础上还要掌握智能仪器的设计要求、方法和步骤，这样才能够更高效地设计出要求的智能仪器。11.1.1

智能仪器设计的基本要求5测量不同物理量的智能仪器，规模大小和复杂程序可能不同，但其总体的要求基本相同，了解这些基本要求，可以提高智能仪器设计的效率和可靠性。1.技术指标与功能要求智能仪器的功能技术指标主要有测量范围和量程、精度、分辨率、采样速率、频率响应、工作环境、抗干扰能力等。另外还有校准方式、显示方式、按键数量与形式、打印输出要求、通信接口与协议、功耗与供电方式、待机方式、尺寸与重量要求、电磁兼容性（EMC，ElectromagneticCompatibility）要求等。以下简单介绍几个典型的技术指标。测量范围：指仪器按规定的精度进行测量的被测量量的范围，其最大值为测量上限，最小值为测量下限。仪器的量程表示测量范围的大小，量程（FS，FullScale）=测量上限值－测量下限值。11.1.1

智能仪器设计的基本要求6精度：反映测量结果与真值的接近程度。精度与误差的大小相对应，可用误差大小来表示，误差小则精度高，误差大则精度低。精度的定量描述方是用最大允许误差或最大误差表示，对给定的测量仪器所允许的误差极限值称为最大允许误差。例如一台气温计的最大允许误差为±0.2℃，该值描述了仪器的精度指标。精度的另一种描述是精度等级，精度等级与仪器的最大引用误差(quotederror或fiducialerror)有关,最大引用误差定义为：上式计算结果取绝对值并去掉%，即为一般的精度值。如一台仪器的引用误差为0.2%，则可表示为0.2%FS，精度等级为0.2。仪器的误差小，说明精度高，精度代表一台仪器质量的高低，是衡量仪器质量优劣的一个关键指标，工业仪表等级一般分为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七个等级，数字越小说明仪表精度越高。11.1.1

智能仪器设计的基本要求7分辨率：仪器测量时能够检测出的被测量量的最小变化值，有时也用所采用的模数转换的位数表示，如分辩率为16、24位等。采样速率:单位时间内仪器的测量次数。例如，世界气象组织（WMO）规定,自动气象站对气温测量仪器的要求指标为：测量范围-50～50℃，最大允许误差为±0.2℃，采样速率为6次/分钟。而地温测量仪的测量范围则为-50～80℃，最大允许误差为±0.5℃，采样速率为6次/分钟。气压的测量范围为500～1100hPa（百帕），分辨率为0.1hP,最大误差为±0.3hPa，采样速率为6次/分钟。11.1.1

智能仪器设计的基本要求82.可靠性要求可靠性指智能仪器在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，一般用平均无故障工作时间、失效率、故障率或平均寿命等来描述。为保证仪器能长时间稳定的工作，应采取各种措施提高仪器的可靠性。在硬件方面，应合理选择元器件，在设计时对元器件的负载、功耗、速度、工作环境等技术参数留有一定的余量，对元器件进行老化和筛选。电路设计和布局要合理，完成的仪器样机要进行极条件下试验，对样机进行低温、高温、冲击、振动、干扰、烟雾等试验，以保证其对环境的适应性。在软件方面，采用模块化设计，要有健壮性和容错功能，并对软件进行全面测试。尽可能减小软件故障率，提高软件可靠性。11.1.1

智能仪器设计的基本要求93.便于操作和易于维护在仪器设计过程中，结合功能要求，要考虑使用和操作方便，控制开关或按钮不要太多、太复杂，尽量降低对操作人员专业知识的要求，尽量使操作者无需专门训练，就能够掌握仪器的使用，便于产品的推广应用。另外，仪器结构要尽量规范化、模块化，并有现场故障诊断与报警程序，一旦发生故障，能保证有效地对故障进行定位，以便更换相应的模块，使仪器具有良好的可维护性。对于网络化仪器，仪器的通信输出要符合通用通信接口规范，协议也要符合通用协议。仪器尽量设计有远程软件升级功能，方便仪器的后续升级与改进，最好能配有远程诊断程序，便于仪器的维护。4.工艺结构要求工艺结构会影响仪器的安装、使用以及可靠性等。需要依据仪器工作环境条件，确定是否需要防水、防尘、防爆、密封等，也要考虑是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等设计工艺结构，以及各部件间的连接关系、按键、面板的美化等，使产品造型优美、色泽柔和、外廓整齐、美观大方等。11.1.2

智能仪器设计方法

10。智能仪器设计要根据实际需求，采用先进技术，进行标准化、系统化设计，使所设计的智能仪器具有较完善的操作性能，而且可靠、安全、实用、性价比高。智能仪器的设计方法或指导思想如下。1.从整体到局部的设计方法在智能仪器具体的硬件和软件设计之前，需要对仪器进行整体规划和设计。设计时应遵循从整体到局部，即自顶向下的设计方法，力求把复杂的、难处理的问题分解为若干个简单的、容易处理的问题，再一个个地加以解决。开始时，根据仪器功能和实际要求，提出仪器设计的总体任务，并给出总体结构设计，然后将总体任务分解成若干可以独立实现的子任务，然后再用模块方法实现，可以采用某些通用化的模块，也可作为单独的实体进行设计和调试。11.1.2

智能仪器设计方法

112.较高的性价比设计方法智能仪器的成本包括研制成本、生产成本和使用成本，较高的性价比就是满足仪器性能指标的前提下，降低仪器的成本。为了获得较高的性价比，设计智能仪器时不应盲目追求复杂、高级的方案。另外不同性能指标的元器件成本也不相同，性能高的元件价格也高。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单，元器件相对就较少、可靠性高，因此也比较经济，元器件也应选择与应用相适应的种类。11.1.2

智能仪器设计方法

12智能仪器的造价取决于研制成本和生产成本。研制成本只花费一次，就第一台样机而言，主要花费在于系统设计、调试和软件研制，样机的硬件成本不是考虑的主要因素。当样机投入生产时，生产数量越大，则每台产品的平均研制费用就越低，在这种情况下，生产成本就成为仪器成本的主要因素，显然仪器的硬件成本对产品的造价有很大影响。如果硬件成本低，生产量大，仪器的造价就低，在市场上就有竞争力。相反，当仪器产量较小时，研制成本则成了仪器造价的主要因素，在这种情况下，可多花费一些硬件开支，尽量降低研制成本。、在考虑仪器的经济性时，除造价外还应顾及仪器的使用成本，即使用期间的维护费、备件费、运转费、管理费、培训费等，必须综合考虑后才能看出真正的经济效果，从而做出选用方案的正确决策。11.1.2

智能仪器设计方法

133.开放式与组合式设计方法智能仪器可以检测不同的物理量或过程参数和控制多个设备，但各个设备和控制对象的要求是不同的，而且控制设备还有更新，控制对象还有增减。智能仪器设计时应考虑能适应各种不同的设备和各种不同的控制对象，使智能仪器不必做大改动就能很快适应新情况，这就要求智能仪器的通用性要好，能灵活地进行扩充。要使智能仪器具有通用性和可扩展性，设计时尽可能使仪器具有开放性和标准化。（1）基于国际上通用的工业标准微机总线结构，以便在需要扩充时，只要增加标准的插件板卡就能实现，针对不同的用户系统要求，选用相应的功能模块组合成最终用户的应用系统。能够适用用户不同档次要求，适应向用户不断变化的特殊要求，兼顾通用和专用设计。11.1.2

智能仪器设计方法

14（2）开放式设计方法还要留下模块扩展的余地，各设计指标要留有一定的余量，为扩充功能提供必要的条件，如CPU的工作速度、电源功率、内存容量、过程通道等，均应留有一定余量。系统设计者将主要精力放在分析设计目标，确定总体结构，选择系统配件等方面，而不是放在部件模块设计及用于解决专用软件的开发设计上。组合化设计方法，就是对仪器进行模块化划分，利用搭积木的方式实现仪器的设计。组合化的设计包括硬件和软件，均采用功能模块化的方法。尽可能选用成熟的现成硬件模板和软件进行组合，自己完成的模块也尽可能具有一定通用性。11.1.2

智能仪器设计方法

15组合化设计方法的优点：（1）简化设计并缩短设计周期。将系统划分成若干硬、软件产品的模块，由专门的研究机构根据积累的经验尽可能完善地设计，并制定其规格系列，用这些现成的功能模块可以迅速配套成各种用途的应用系统，简化设计并缩短设计周期。（2）结构灵活，便于扩充和更新，使系统的适应性强。在使用中可根据需要通过更换一些模板或进行局部结构改装以满足不断变化的特殊要求。（3）维修方便快捷。模块大量采用LSI和VLSI芯片，在故障出现时，只需更换IC芯片或功能模板，修理时间可以降低到最低限度。（4）功能模板可以组织批量生产，使质量稳定并降低成本。11.1.2

智能仪器设计方法

164.软硬件合理分配的设计方法微处理器是智能仪器的核心，智能仪器的功能是由硬件和软件相结合完成的，有些功能只能依靠硬件实现，有些任务（如数据处理）只能由软件来实现，还有一些功能可以用软件也可以由硬件实现。具有一定的智能仪器，其软、硬件功能分配可以在很宽的范围内变化，系统的软、硬件功能分配要根据系统的要求而定。如果系统对速度要求不高，为了降低系统成本，可尽量将硬件的功能用软件来实现，即所谓的“硬件软件”。11.1.2

智能仪器设计方法

17近年来随着半导体技术的发展，各种高性能器件的问世又出现了“软件硬件”的趋势，即将原来由软件实现的功能用硬件来实现。其中最典型的是数字信号处理（DSP）芯片。过去快速傅里叶变换（FFT）都用程序实现，现在利用DSP进行FFT运算，可以大大减少软件的工作量，同时提高信号处理的速度。另外，“硬件是不可改变的”这一传统观念已被打破。近年来可现场编程逻辑器件（FPGA）飞速发展并得到广泛应用。这种器件可以通过编程对器件内的门电路或逻辑单元进行组合，实现各种不同的功能，而且它还可以反复修改，现场调试。可编程逻辑器件的集成度越来越高，功能越来越强。11.1.2

智能仪器设计方法

185.高可靠性设计方法

可靠性高是智能仪器设计最重要的一个基本要求。在智能仪器的设计过程中，对可靠性的考虑应贯穿于每个环节，采取各种措施提高仪器可靠性，以保证仪器能长时间地稳定工作。就硬件而言，仪器所用器件质量的优劣和结构工艺是影响可靠性的重要因素，故应合理选择元器件和采用极限情况下试验的方法。所谓合理选择元器件是指在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环境等参数应留有一定的安全量，并对元器件进行老化和筛选；极限情况下试验是指在研制过程中，一台样机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟雾和其他试验，以证实其对环境的适应性。11.1.2

智能仪器设计方法

19与硬件类似，也要对软件进行各种试验。例如，提高时钟速度、增加中断请求率、子程序的百万次重复等，甚至还要进行一定的破坏性试验。虽然这要付出一定的代价，但必须经过这些试验才能证明所设计的仪器是合适的。随着智能仪器在生产中的广泛应用，对智能仪器可靠性的要求，必须给以足够的重视。与此相对应，否则会带来严重的后果。为了提高仪器的可靠性，还可采用“冗余结构”的方式，即在设计时安排双重结构（主件和后备用件）的硬件电路，这样当某部件发生故障时，备用部件自动切入，从而保证了仪器的可靠、连续运行。就软件来说，应尽可能减少故障。采用模块化设计方法，易于编程和调试，可减少故障和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误、排除故障的重要手段。11.1.3

智能仪器的设计步骤20智能仪器设计的基本内容和主要步骤是大体相同。在设计智能仪器之前，首先应进行充分的市场调研，所设计仪器的先进性，市场前景等进行必要的估计。应在对系统性能的改善程度、成本、可靠性、可维护性及应用不同处理器和器件的经济效益等进行综合考虑的基础上，决定采用哪一种设计方案更合理。设计开发一个智能仪器一般需要经过以下三个阶段。1.确定设计任务确定仪器的功能、技术指标及设计任务，首先要明确智能仪器必须实现的功能和需要完成的测量、控制任务；要深入了解生产过程，考虑被测信号的特点、被测量的数量、输入信号的通道数、被测量的类型、变化范围，以及测量速度、精度、分辨率和误差等；还要确定测量结果的输出方式、显示的类型、输出接口的配置，如通信接口和打印机等外设接口。另外，还要考虑仪器的内部结构、外形尺寸、面板布置、研制成本、仪器的可靠性、可维护性及性价比等。在对上述各项综合考虑的基础上，用时间流程图和测控流程图描述测量过程和控制任务，写成设计任务说明书，作为整个系统设计的依据。11.1.3

智能仪器的设计步骤212.总体方案设计智能仪器的总体方案设计,是根据设计任务说明书制定仪器的设计方案。最好提出几种可能的方案，每种方案包括仪器的工作原理、采用的技术路线等，然后对各方案进行可行性论证，包括理论分析、计算及必要的模拟实验，验证方案是否可达到设计要求等。然后对系统的指导思想、技术指标、可靠性、性价比进行方案评估，最后根据评价的结果制定系统的设计方案。在总体方案通过论证的基础上即可首先开展智能仪器的总体设计工作。在总体方案设计中，要考虑硬件和软件的合理分配，如果存在控制任务，还要确定模型建立和测控算法，对算法的实现进行估计，以检验所设计的硬件系统能否达到所需要的性能指标。11.1.3

智能仪器的设计步骤223.硬件和软件设计（1）硬件电路设计和功能模板的研制。根据总体设计，将整个系统分成若干个功能模板，分别设计各部分电路，如输入∕输出通道、信号调理电路、单片机及其外围电路和人机界面等。在完成电路设计之后，即可制作相应的功能模板。在设计、制作功能模板时，要保证技术上可行、逻辑上正确，并注意布局合理、连线方便。一般先绘制逻辑电路图，经反复核对，线路无差错，才能制作印制电路板并进行电路的调试。（2）软件框图和程序的设计。将软件总体框图的各个功能模块具体化，逐级画出详细的框图和流程图，作为编制程序的依据。用户源程序一般采用汇编语言或C语言编写。通过编译系统变成可执行的目标代码。注意程序的可读性和可移植性。11.1.3

智能仪器的设计步骤23（3）硬件和软件联合调试。硬件、软件各模块分别调试通过后，要进行软、硬件联合调试。（4）现场调试与测试。实验室完成硬件、软件联合调试后，需要到现场进行调试，在接近应用环境的条件下进行测试，根据出现的问题进行改进。（2）软件框图和程序的设计。将软件总体框图的各个功能模块具体化，逐级画出详细的框图和流程图，作为编制程序的依据。设计中还应进行程序的优化工作，注意程序的可读性和可移植性。11.2智能仪器的总体设计24智能仪器设计是一个复杂的过程，要求设计人员熟悉传感器技术、检测技术、模拟电路、数字电路、微控制器硬件与软件，有些还会涉及力学、光学、机械、电机控制，还要熟悉测控对象的特点等。在确定了智能仪器的设计任务后，首先要进行的是仪器的总体设计，仪器的总体设计非常重要，决定了仪器的规模、测量原理的选用与后续电路的设计等，不合理的总体方案规划与设计，会造成整个设计的失败与返工，带来不必要的损失。智能仪器的测量与控制对象千差万别，需要采用的测量原理也可能完全不同，总体来说，智能仪器有几下几类：（1）有些测量仪器只需要数据采集电路即可完成，并不需要传感器或通过简单的分压、变压电路即可，也不需要复杂的测量原理，如电压表、电流表、频率测量仪、相位测量仪等；11.2智能仪器的总体设计25（2）利用传感器和数据采集电路可以完成的仪器，这类仪器的测量原理主要包含在传感器的设计中，如光强测量仪、热电耦温度测量仪等；（3）除了传感器和数据采集电路外，还需要一些比较复杂的测量原理，这类仪器占比较大，如超声波风速仪、超声波流量计、能见度仪，激光测距仪、各种称重仪器等。例如超声波风速仪不仅要用到超声波传感器，还要涉及一定的测量原理，传感器的不同安装方式，测量的原理与外观也有所区别，这些应该在总体设计中体现出来。仪器的总体设计，根据测量任务涉及到测量原理的选择、传感器选择、微控制器选择等，另外的通信接口、显示方式、按键等根据任务比较容易确定。总体设计包括如下几方面：11.2智能仪器的总体设计261.仪器测量原理分析与确定。智能仪器涉及的范围非常广泛，仪器的原理也千差万别，需要根据测量对象和要求选择合适的测量原理。2.传感器选择。随着新技术的发展，现代传感器在原理和结构上有很大的不同。需要根据具体的测量目的、对象和应用环境合理选择传感器。传感器确定后，可以确定相适应的测量方法和测量电路。测量结果的精度、可靠性等，在很大程度上取决于传感器的合理选型，在传感器选型时需要注意以下几点。（1）根据测量对象和测量环境确定传感器的类型。要完成具体的测量任务，首先要考虑传感器的原理，需要在确定之前分析各种因素。即使测量相同的物理量，也有多种传感器可供选择，哪种传感器更合适，需要考虑以下具体问题：测量范围大小、传感器体积要求、接触或非接触；信号引出方法、接触或或非接触测量，传感器来源、国内或进口、价格承受范围，或自行开发等。在考虑了上述问题之后，可以确定选择的传感器，然后考虑传感器的具体性能指标。11.2智能仪器的总体设计27（2）灵敏度的选择。通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有当灵敏度高时，与测量变化相对应的输出信号值才相对较大，有利于信号处理。但需要注意的是，传感器灵敏度高，意味其量程可能会小，另外与测量无关的外部噪声容易进入仪器，影响测量精度。（3）频率响应特性。传感器的频率响应特性决定了测量的频率范围，应在允许的频率范围内保持不失真。（4）线性范围。传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围，在这个范围内，灵敏度是固定的，传感器的线性范围越宽，测量范围就越大，在选择传感器时，确定传感器的类型，要考虑测量范围是否符合要求。11.2智能仪器的总体设计28（5）稳定性。传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。除了传感器本身的结构外，影响传感器长期稳定性的因素主要是传感器的使用环境。在一些要求传感器长期使用，不易更换或校准的情况下，所选传感器的稳定性要求更严格，能够经受住长期的考验。（6）精度。精度是传感器的重要性能指标，是整个测量系统测量精度的重要环节。传感器的精度越高，价格就越贵。因此，只要传感器的精度满足整个测量系统的精度要求，就不必选择太高。这样就可以选择性价比更高和简单的传感器。如果测量目的是定性分析，可以选择重复精度高的传感器，不宜选择绝对精度高的传感器；如果是定量分析，必须获得准确的测量值，则需要选择能够满足精度等级要求的传感器。11.2智能仪器的总体设计293.微控制器的选择在对微控制器进行选择时，根据任务要求，从硬件和软件二方面设计系统的上层结构、框图和流程图，根据这些对微控制器进行选型。应考虑以下因素。（1）确定硬件接口类型，有两种常见的接口类型。第一种是通信接口，系统一般会使用到USB、I2C、SPI、UART、Internet等外设。如果要求USB或某种形式的以太网，这些接口对微控制器需要支持的程序空间较大。第二种接口是数字输入和输出、模拟转数字接口、PWM等。这两种类型接口将决定微控制器需要提供的引脚数量。（2）任务与运算量大小。任务与运算量大小是选择微控制器的重要依据，处理任务的运算量大小，是否有算法要求如浮点运算、数字信号处理、图像处理、高频度的控制环路等，估计每个任务需要运行的时间和频度，估算需要多少数量级的处理能力。运算能力的大小是确定微控制器架构和频率的关键因素。11.2智能仪器的总体设计30（3）处理器架构。利用前边的信息和分析，确定所需的处理器架构。8位架构、16位架构、32位的ARM架构，是否需要DSP、CPLD/FPGA等，还要有容纳未来可能的功能扩展等。确定是使用8051、ARM还是DSP、FPGA等。（4）确定内存需求。闪存(FLASH)和RAM是任何微控制器的两个非常关键的组件，确保有足够的闪存和RAM空间，是否除了微控制器内部FLASH和RAM外，还需要扩展等。（5）系统功耗要求。如果设备是电池供电和移动应用，则要有较有低的功耗。（6）成本考虑。处理器的价格，是否能满足成本要求，特别是量产时的价格。（7）确定微控制器型号，根据市场供应情况，对微控制器的特性有深入的了解，选择合适的微控制器，在选择微控制器还要考虑编译器和调试⼯具，是否有方便可用的编译器和调试⼯具，⽰例代码等。11.3RTD温度变送器设计31温度测量在工业自动化、气象观测等领域有着广泛的应用，温度测量有很多方法，如RTD、热电耦、数字温度传感器等，测量精度与稳定性较高的应属RTD温度传感器。RTD（ResistanceTemperatureDetector,电阻温度检测器）由纯金属(如铂、镍或铜)制成，最常用的RTD是Pt100和Pt1000。基于RTD的温度测量需要传感器、调理电路、模数转换、单片机控制、数据处理、通信等模块，在智能仪器设计中具有一定的代表性，本节介绍RTD的温度变送器的设计。设计一个基于RTD的温度变送器，温度测量范围为-200℃至+850℃之间。带有4-20mA电流环路和485或CAN通信接口。实现方法有很多种，这里采用图11-1的总体设计方案，电源电压典型值为24V。11.3RTD温度变送器设计3211.3RTD温度变送器设计33ADS1220或AD7124-4是24位ΔΣ型ADC，均集成一个最大增益为128的PGA和2个可编程恒流源，可用于RTD测量，具有SPI串行接口。微控制器可选用8、16位或32位MCU。4-20mA电流环路需要通过DAC转换为电压或电流输出。这里选用DAC161S997，该芯片为16位DAC带有4-20mA电流环路驱动接口，4线SPI接口，简化了电路设计。1.RTD温度特性RTD是工业和气象等领域中温度测量常用的传感器。RTD由纯金属(如铂、镍或铜)制成，最常用的RTD是Pt100和Pt1000。与其它类型的温度传感器相比，其电阻在较大的温度范围内具有稳定的电阻-温度关系，对于-200℃至+850℃之间的温度，铂RTD(PRT)具有高精度和良好的稳定性。因此比铜或镍RTD更常见。气象仪器中的气温、土壤的温度等都是利用铂电阻测量。11.3RTD温度变送器设计34ADS1220或AD7124-4是24位ΔΣ型ADC，均集成一个最大增益为128的PGA和2个可编程恒流源，可用于RTD测量，具有SPI串行接口。微控制器可选用8、16位或32位MCU。4-20mA电流环路需要通过DAC转换为电压或电流输出。这里选用DAC161S997，该芯片为16位DAC带有4-20mA电流环路驱动接口，4线SPI接口，简化了电路设计。1.RTD温度特性RTD是工业和气象等领域中温度测量常用的传感器。RTD由纯金属(如铂、镍或铜)制成，最常用的RTD是Pt100和Pt1000。与其它类型的温度传感器相比，其电阻在较大的温度范围内具有稳定的电阻-温度关系，对于-200℃至+850℃之间的温度，铂RTD(PRT)具有高精度和良好的稳定性。因此比铜或镍RTD更常见。气象仪器中的气温、土壤的温度等都是利用铂电阻测量。11.3RTD温度变送器设计3511.3RTD温度变送器设计36在温度大于0时在温度小于0时R0为Pt100在温度为0℃时的值，即R0=100Ω。A=3,9083×10-3℃,B=-5.775×10-7℃,C=-4.183×10-12℃。温度系数的近似值为0.385Ω/℃，图11-2给出了Pt100在-200-600℃之间的R(t)曲线。作为对比也给出了R=100+0.385t直线。可见R(t)与直线有不小差别，因此需要通过拟合的方法测量温度。11.3RTD温度变送器设计37在温度大于0时在温度小于0时R0为Pt100在温度为0℃时的值，即R0=100Ω。A=3,9083×10-3℃,B=-5.775×10-7℃,C=-4.183×10-12℃。温度系数的近似值为0.385Ω/℃，图11-2给出了Pt100在-200-600℃之间的R(t)曲线。作为对比也给出了R=100+0.385t直线。可见R(t)与直线有不小差别，因此需要通过拟合的方法测量温度。11.3RTD温度变送器设计382.温度测量电路原理为了精确测量RTD的电阻，需要施加一个恒流源，在RTD上产生一个电压，由于随着温度的改变电阻变化比较小，而要精确测量温度，需要对电压进行放大，然后通过ADC转换为数字量，再经过计算得到电阻和温度。由于多数情况下，温度传感器需要置于比较远的位置，导线的电阻无法避免，因此导线的电阻及随温度的漂移会严重影响测量的精度与稳定性。因此需要精确测量温度时，如何消除导线电阻的影响就非常关键。RTD测温有2线、3线和4线制三种方式,图11-3给出了3线、4线的照片。11.3RTD温度变送器设计39对3、4线制，激励方式如图11-5所示。a、b连接测量电路。其中测量电路的输入端，一般需要连接仪表放大器，因此输入电阻非常高，不会对恒流源产生分流。11.3RTD温度变送器设计40对3、4线制，激励方式如图11-5所示。a、b连接测量电路。其中测量电路的输入端，一般需要连接仪表放大器，因此输入电阻非常高，不会对恒流源产生分流。11.3RTD温度变送器设计41对3、4线制，激励方式如图11-5所示。a、b连接测量电路。其中测量电路的输入端，一般需要连接仪表放大器，因此输入电阻非常高，不会对恒流源产生分流。11.3RTD温度变送器设计42对3、4线制，激励方式如图11-5所示。a、b连接测量电路。其中测量电路的输入端，一般需要连接仪表放大器，因此输入电阻非常高，不会对恒流源产生分流。3线制电路需要2个恒流源I1和I2，而且要求I1=I2=I。11.3RTD温度变送器设计43对4线制，只需要一个恒流源，用类似的方法可以得到11.3RTD温度变送器设计443.RTD温度测量前端模拟滤波器设计根据上述测量原理，可以设计出一种3线制测量电路，原理如图11-6所示，导线电阻隐含在导线中，没有单独画出。由于激励电流源会有漂移和噪声，并反映在ADC的输入端和参考电压端。为了实现稳定和高分辨率的测量，需要消除这些噪声和漂移，可以通过低通滤波器实现。图中R1、R2、C1、C2构成低通滤波。R1、R2、C3对共模干扰进行低通滤波，R1、R2、C1、C2、C3对差模噪声或干扰进行滤波。R3、R4、C4、C5、C6构成的低通波器对参考电压进行滤波，同样对共模和差模信号进行滤波。取R1=R2，C1=C2，R3=R4，C4=C5。11.3RTD温度变送器设计453.RTD温度测量前端模拟滤波器设计11.3RTD温度变送器设计464.RTD温度测量电路设计RTD测温电路的2线、3线与4线制，均需要放大电路具有高输入阻抗，可以降低对恒流源分流而产生的误差，恒流源可以用集成恒流源芯片。测量电路还要求ADC具有基准电压输入接口。目前有一些ADC芯片集成了可编程仪表放大器、多个恒流源和模数转换器，如AD公司的AD7124-4/AD7124-8，TI公司的ADS1220、ADS1148/1248、ADS122C04/U04等，均可以方便地实现RTD的2、3、4线性制温度测量，均是24位Σ-Δ型ADC。ADS1220为24位ADC，如图11-9，给出了ADS1220的内部框图，图11-10给出了ADS1220的引脚图。ADS1220内部集成了PGA和2个可编程恒流源，一个电压基准（2.048V），具有4个通道，采样率为2kSPS。高集成度可以减小测量仪器元件数量和体积，降低系统成本。11.3RTD温度变送器设计474.RTD温度测量电路设计图11-9ADS1220的内部框图图11-10ADS1220的引脚图11.3RTD温度变送器设计484.RTD温度测量电路设计图11-9ADS1220的内部框图图11-10ADS1220的引脚图11.3RTD温度变送器设计49(1)基准电阻的确定激励电流I过大，当温度高时，Rt的电压会较大，可能超过ADC测量的范围。较小时需要PGA放大倍数较大，因此需要确定一个合适的范围，取I=250μA。可以确定基准电阻RREF。电源电压为3.3V，取基准电压VREF=1.62V（电源电压的一半左右），则RREF=VREF/(2I)=3.24kΩ。该电压同时也为AIN0、AIN1提供静态工作电压（共模电压）。(2)PGA增益的确定如果测量温度的范围为-200-850℃，Rt=850=390.48Ω，电压为Vt=850=390.48Ω×250μA=97.62mV。PGA的最大增益为

该值比较接近16，因此取PGA的增益为16，如果测量温度的上限减小，则增益可以大一些。11.3RTD温度变送器设计50(3)电压合规性检验ADS1220的模拟输入电压需要要满足一定的条件，否则测量会进入非线性区，降低测量精度或严重失真。AIN0-AIN4的电压需要在一定范围内，总体来说，输入电压要保证经PGA放大后输出，电压大小在AVSS以上0.2V，在AVDD以下0.2V。因此需要验证在测量范围内是否满足这一条件。根据ADS1220的手册，PGA输出信号的共模电压VCM应满足AVSS+0.2+A×VIN/2≤VCM≤AVDD-0.2-A×VIN/2（11-10）其中A为PGA的增益，0.2是芯片手册中要求的高于AVSS电压0.2V，以及低于AVDD电压0.2V。VIN为PGA的二个输入端之间电压。取VIN最大值Vt=850=0.09762V，A=16，AVSS=0，AVDD=3.3V代入上式，计算得到0.981V≤VCM≤2.32V（11-11）11.3RTD温度变送器设计51VCM与Rt、RREF、导线电阻及IDAC1(IDAC2)有关，主要考察其上、下限。VCM等于AIN0与AIN1(图11-8)引脚电压的平均值，即：VCM=（VAIN0+VAIN1)/2，设导线是完全匹配的，有RL1=RL2=RL3=RL，则温度为t时的共模电压VCMt为VCMt=（VAIN0+VAIN1)/2=I×RL+I×Rt/2+2×I×(RL+RREF)温度范围为-200-850℃，电阻下限与上限分别为18.52和390.48Ω，计算得到VCMt的范围为1.63V≤VCMt≤1.68V，满足式（11-11）。另外ADS1220还要求模拟输入端的共模电压VCM≧AVSS+(AVDD-AVSS)/4（11-13）AVSS=0，AVDD=3.3V时，容易计算出VCM≧0.825V，可见也是满足的。以上过程，也是设计电路各参数时，需要考虑的因素。11.3RTD温度变送器设计52(4)激励电流源顺从电压（ComplianceVoltage）的合规性检验编程设计确定后，激励电流源的输出电流是恒定的，外接电阻变大时，输出电压也变大，但是电压有一个上限，该上限有电源电压与器件特性确定，这一电压称为顺从电压。对ADS1220，这一电压为AVDD-0.9V，本设计中这一值为2.4V。需要验证上述设计是否满足这一条件。设RL1=RL1=RL1=10Ω(一般不会这么大)。对IDAC1，顺从电压VC1为VC1=AVSS+[IDAC1×(RL1+Rt)]+[(IDAC1+IDAC2)×(RL3+RREF)]+VDIODE。（11-14）计算得到VC1=2.12512V<2.4V，可以满足要求。对IDAC2，顺从电压VC2为VC2=AVSS+[IDAC2×(RL2+Rt)]+[(IDAC1+IDAC2)×(RL3+RREF)]+VDIODE。（11-15）计算得到VC2=1.628V<2.4V，可以满足要求。一般是在回路中串接一个二极管，其中VDIODE为图11-8中二极管D1和D2的导通电压，取值为0.5V，Rt取最大值。可见顺从电压也可以满足要求。11.3RTD温度变送器设计53(5)低通滤波器参数确定在输入端和参考电压端使用差模和共模低通滤波器，可以消除激励和环境中的高频噪声。根据前边的描述，共模滤波和差模滤波电路参数的确定比较复杂，但也不必十分严格，这里只是给出基本思路。在式（11-7）、（11-8）中，电阻一般应为kΩ量级，差模电容C3、C6应为共模电容C1=C2、C4=C5的10倍。这里取R1=R2=4.12kΩ，C1=C2=2.7nF，C3=27nF；R4=R5=4.12kΩ，C4=C5=1.8nF，C3=18nF。根据式（11-7）、（11-8）可计算出：模拟输入端：共模截止频率约为680Hz，差模截止频率约为14kHz。基准电压端：共模截止频率约为1000Hz，差模截止频率约为21kHz；以上是对温度范围-200-850℃的参数选取的分析，其它温度范围，可用类似方法设计与分析。11.3RTD温度变送器设计54对图11-11给出的3线制电路，稍加改变可用于2、4线制测量，如图11-12。如果Ra和Rb均短接，D1不连接或控IDAC2）不输出，则为2线制，如果Ra不焊接则为3线制，Rb均短接，D1、Ra和Rb均不连接则为4线制。对4线制，主要是基准电阻的确定，可以参考3线制分析。11.3RTD温度变送器设计555.4-20mA电流环路设计4-20mA电路玶路有很多种实现方法，这里采用DAC161S997，该芯片是16位DAC，带有符合工业标准的4-20mA电流环路驱动接口，与微控制器是4线SPI接口。DAC161S997的引脚分配与连接方法如图11-13和12.14所示。引脚名称与作用这里不一一介绍，可结合应用电路与芯片手册了解其作用。11.3RTD温度变送器设计566.主控电路设计系统中的ADC和DAC均为SPI接口，因此主控制器最好带有SPI接口，工作电压为3.3V,目前很多微控制器都可以选用。这里选用MSP43