張 華，鄭 賓* ，武曉棟

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測試水平的提高，人們對溫度測試系統(tǒng)的測試精度要求越來越高［1］。本溫度測試系統(tǒng)欲實現(xiàn)3通道溫度測試系統(tǒng)。3個測試通道獨立，能夠分別實時監(jiān)測待測溫度。可應(yīng)用于汽車空調(diào)、醫(yī)療儀器、糧食倉庫、樓宇智能控制，煤礦等場合。

1 溫度測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

溫度測試系統(tǒng)實驗主要由溫度傳感器、溫度變送器、信號采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)構(gòu)成。溫度傳感器感受外界溫度得到模擬信號。模擬信號經(jīng)過溫度變送器的放大濾波傳給AD采集卡。經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成為一定精度的數(shù)字信號存入計算機。硬件示意圖如圖1所示。

圖1 溫度測試系統(tǒng)總體硬件示意圖

1.1 溫度測量模塊

基于測試系統(tǒng)的工作原理選用北京賽億凌科技有限公司溫度傳感器STT-H，測量的溫度范圍為-40℃～+100℃。

溫度變送器采用的J型熱電偶溫度變送［3］，其工作電路圖如圖2所示。在溫度變化時，3路并聯(lián)溫度傳感器的輸出信號經(jīng)過XTR101變?yōu)? Ma～20 Ma，然后再由電流電壓變換器RCV420轉(zhuǎn)換為0～5 V輸出。為使熱電偶內(nèi)阻的差異不影響熱電流的，加入了均衡電阻:R1，R2，R3(他們遠(yuǎn)大約溫度傳感器的內(nèi)阻)。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇

NI Compact RIO是可重新配置的嵌入式控制和采集系統(tǒng)，包括一系列NI推出的RIO FPGA板卡(主要包括NI783X、NI781X、NI785X系列 FPGA板卡)和RIO計算機等產(chǎn)品。NI Compact RIO系統(tǒng)堅固的硬件架構(gòu)中包含:I/O模塊、可重新配置現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)機箱、嵌入式控制器。本測試系統(tǒng)采用的是NI7831FPGA采集卡，具備8路16 bit AD。針對選定板卡，軟件開發(fā)平臺選用NI公司針對NI Compact RIO推出的LabVIEW RIO。其繼承了LabVIEW圖形化編程的特點。其軟件本身基于FPGA的原理構(gòu)架，包含對IO的配置、時鐘管理、計數(shù)器設(shè)置、存儲塊設(shè)置、常用FIFO設(shè)置等功能。在編程時，編程人員可以直觀方便的對上述功能進(jìn)行操作［4］。

圖2 變送器電路圖

2 溫度測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)的核心部分是軟件部分，溫度測試系統(tǒng)共有3路模擬信號輸入，模擬信號輸入管腳選擇Connector0/AI0～Connector0/AI2。每一路 AI可以獨立操作，工作原理相同。以溫度測試系統(tǒng)單通道為例設(shè)計其作流程圖如圖3所示。第1步初始化，包括溫度測試AI通道聲明以及系統(tǒng)復(fù)位程序。第2步啟動溫度測試通道開關(guān)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集。第3步判斷該溫度測試結(jié)束號。第4步，在測試結(jié)束后判斷是否退出。

圖3 溫度測試系統(tǒng)單通道軟件流程圖

圖4 溫度測試實驗單路FPGA程序

圖5 通用測試系統(tǒng)溫度測試實驗上位機后面板程序

依據(jù)溫度測試系統(tǒng)單通道軟件流程圖，以AI0為例設(shè)計單路FPGA溫度采集程［5］如圖4所示。上位機程序如圖5和圖6所示。

圖6 通用測試系統(tǒng)溫度測試實驗界面程序

3 溫度測試系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)分析

測量永遠(yuǎn)不可能得到真值，在估算誤差和評定測量結(jié)果時，用“約定真值”代替真值。一般用被測量的公認(rèn)值。測量值的平均值和高等儀器的測量值作為被測量的“約定真值”［6］。在本系統(tǒng)的誤差評估中，以計量部門提供的恒溫溶液箱的溫度值為“約定真值”。本系統(tǒng)使用恒溫溶液箱進(jìn)行溫度測量誤差分析，按國家一級溫度標(biāo)準(zhǔn)(-30℃ ～+70℃)每隔10℃測量一點，每點測量10次取平均值。由系統(tǒng)實際測量溫度與“約定真值”對比結(jié)果如表1所示。

表1 溫度測試系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)表℃

按照誤差的來源和性質(zhì)不同，一般將誤差分為:誤粗大差、隨機誤差、和系統(tǒng)誤差。對本系統(tǒng)而言，粗大誤差只要實驗者采取嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度，就可以消除;隨機誤差可以通過增加測量次數(shù)減少;系統(tǒng)誤差，可以以恒溫溶液箱測得值為標(biāo)準(zhǔn)，采用溫度標(biāo)定和軟件補償來達(dá)到校正的目的。

恒溫溶液箱的精度為0.01℃，而本系統(tǒng)的測量精度為0.1℃，因此偏差均值應(yīng)該估讀到精度為0.1℃，對應(yīng)的修正值精度也為0.1℃。表4.5是對所選的10個溫度點修正后溫度偏差值的數(shù)據(jù)處理圖表。

如表2所示，誤差的大小和符號基本固定不變，系統(tǒng)存在恒定系統(tǒng)誤差0.2℃，此誤差可通過LabVIEW后期進(jìn)行修正。一般要求實際測溫偏差小于0.05℃［7］。修正后溫度偏差值≤0.04℃，滿足實際測量精度要求。

表2 溫度測試系統(tǒng)實驗修正數(shù)據(jù) ℃

4 結(jié)語

本溫度測試系統(tǒng)能夠完成對溫度測試的日益提高精度的要求，穩(wěn)定性好，并通過實驗得到了驗證。該測試系統(tǒng)還具有良好的通用性，由于NI Compact RIO的結(jié)構(gòu)性，可以對本系統(tǒng)做一些修改，用來測試其他項目［8-12］。

［1］王占強，徐偉弘，汪開源.一維PSD信號調(diào)理電路及其應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，1997(12):25-28.

［2］尚麗娜.FPGA動態(tài)可重構(gòu)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［3］謝志萍.USB總線的溫度測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005(8):27-29.

［4］靖蘇銅，趙福堂.基于LabVIEW的熱電偶溫度測量系統(tǒng)［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2005(6):37-39.

［5］劉嵐，黃秋元，陳適.FPGA應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:5.

［6］王廣志，吳穎，黃志光.數(shù)字式溫度傳感器與分布式溫度測量系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2001，14(1):26-32.

［7］楊曉玲，伍永順.高準(zhǔn)確度溫度測量系統(tǒng)信號調(diào)理［J］.傳感器技術(shù)，2003，22(6):47-51.

［8］許駿，渭川，彭澄廉.基于模塊的動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機工程與設(shè)計，2008，29(6):1367-1369.

［9］陳曉畋，韓愛芳.基于FPGA的可重構(gòu)計算技術(shù)研究［J］.計算機與信息技術(shù)，2010(4):51-54.

［10］朱凱科.FPGA動態(tài)可重構(gòu)設(shè)計方法研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［11］羅毅.動態(tài)可重構(gòu)FPGA的電路測試技術(shù)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2009.

［12］黨崇倫.基于FPGA的關(guān)節(jié)伺服控制器容錯技術(shù)研究［D］.北京郵電大學(xué)，2008.