TM4C123GH6PM的旋轉(zhuǎn)熱管溫度遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 引言

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)熱管溫度采集系統(tǒng)一般采用電刷傳遞溫度傳感器信號(hào)，這種接觸式信號(hào)傳導(dǎo)方式不僅導(dǎo)致使用壽命短，而且不可避免地存在信號(hào)干擾，難以獲得準(zhǔn)確的溫度值，已不能滿足日益提高的工業(yè)要求。

目前，ARM內(nèi)核微控制器發(fā)展迅速，其處理器性能高、耗電少、成本低，具備16/32位雙指令集，可擴(kuò)展性能強(qiáng)。而在工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用中，作為一種主要的測(cè)溫元件，熱電偶以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域中。綜上所述，本文將Cortex—M4內(nèi)核的低功耗ARM芯片TM4C123GH6PM和多個(gè)K型熱電偶結(jié)合，組成了溫度采集結(jié)點(diǎn)，并通過(guò)無(wú)線串口通信模塊實(shí)現(xiàn)了其與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，從而有效避免了干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)熱管的多點(diǎn)溫度遙測(cè)功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

旋轉(zhuǎn)熱管溫度遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其主要由ARM核心模塊、電源模塊、片選模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、熱電偶測(cè)溫、無(wú)線串口通信模塊及監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)組成。整個(gè)系統(tǒng)由3.7 V/1000mAh鋰電池電源模塊供電，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，并且可以方便地對(duì)電池進(jìn)行充電。

ARM核心模塊即為TM4C123GH6PM的最小系統(tǒng)，其通過(guò)片選模塊依次選擇需要工作的熱電偶結(jié)點(diǎn)，熱電偶測(cè)溫模塊對(duì)旋轉(zhuǎn)熱管完成溫度采集工作后，通過(guò)SPI總線將溫度數(shù)字量傳輸給TM4C123GH6PM。由于系統(tǒng)包含10路熱電偶測(cè)溫模塊，在其與ARM核心模塊之間添加了總線收發(fā)器74HC245驅(qū)動(dòng)模塊，以提高端口的驅(qū)動(dòng)能力。在收到溫度數(shù)據(jù)后，TM4C123 GH6PM通過(guò)無(wú)線串口通信模塊將溫度值發(fā)送給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，運(yùn)行于PC機(jī)上的監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放、電池電壓監(jiān)測(cè)與低壓報(bào)警等功能。同時(shí)，為了防止無(wú)線傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包等情況，系統(tǒng)還具有板載Flash的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，在進(jìn)行溫度無(wú)線傳輸?shù)耐瑫r(shí)，ARM核心模塊通過(guò)SPI口將數(shù)據(jù)存入Flash芯片中，待實(shí)驗(yàn)完成后，通過(guò)PC機(jī)檢測(cè)平臺(tái)可將板載數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便與遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 熱電偶測(cè)溫電路

雖然K型熱電偶具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但其輸出電勢(shì)極其微弱，而且存在冷端溫度誤差和輸出電勢(shì)與被測(cè)溫度的非線性問(wèn)題，易引起較大測(cè)量誤差，因此需要對(duì)熱電偶輸出信號(hào)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的測(cè)溫電路如圖2所示，采用了Maxim公司的K型熱電偶串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX6675芯片，該型號(hào)芯片能夠獨(dú)立完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A/D轉(zhuǎn)換及SPI串口數(shù)字化輸出功能，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量，溫度分辨率達(dá)0.25℃，且芯片內(nèi)部含有熱電偶斷線檢測(cè)電路。其冷端補(bǔ)償溫度范圍為-20～80℃，應(yīng)用的環(huán)境溫度范圍比較寬，可以測(cè)量0～1023.75℃的被測(cè)溫度，基本符合旋轉(zhuǎn)熱管溫度測(cè)量的實(shí)際需求。

MAX6675的2、3引腳與K型熱電偶的負(fù)極和正極連接，6引腳則與74HC154譯碼器的輸出端相連接，同時(shí)，5引腳時(shí)鐘SCK則與驅(qū)動(dòng)芯片74HC245相連接。

2.2 Flash存儲(chǔ)電路

為了保證所采集的溫度數(shù)據(jù)的完整性，本系統(tǒng)提供了板載Flash用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具體電路如圖3所示。這里采用了SPI總線接口的閃存芯片AT45DB161D，速度可達(dá)66 MHz，存儲(chǔ)空間包含4 096頁(yè)，每頁(yè)包含512或528個(gè)字節(jié)。與并行Flash存儲(chǔ)器不同，它采用Rapids串行接口，從而大大減少了可用引腳數(shù)量，同時(shí)也提高了系統(tǒng)可靠性，降低了開(kāi)關(guān)噪聲，縮小了封裝體積，滿足本系統(tǒng)低電壓、低功耗與小體積的要求。

2.3 無(wú)線串口通信模塊

無(wú)線串口通信模塊采用的是成都億佰特電子科技有限公司的工業(yè)級(jí)無(wú)線數(shù)傳收發(fā)模塊E14～TTL。該模塊中心頻率為2.4 GHz，最大功率達(dá)到100mW，傳輸距離可達(dá)2 100 m，具有TTL電平的串口通信接口，支持1200～115 200bps多種波特率，模塊實(shí)物圖如圖4所示。本系統(tǒng)權(quán)衡傳輸速度與傳輸精度，選擇波特率為9 600bps，實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的高可靠性串行無(wú)線通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的下位機(jī)軟件采用前后臺(tái)運(yùn)行機(jī)制，軟件流程圖如圖5所示。由于MAX6675的測(cè)溫步長(zhǎng)為190 ms，為了保證溫度數(shù)據(jù)讀取的可靠性，本軟件設(shè)置定時(shí)時(shí)間為250 ms，在前臺(tái)定時(shí)器中斷服務(wù)程序中完成標(biāo)志位置位。后臺(tái)主循環(huán)程序通過(guò)串口接收上位機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)出指令，若不導(dǎo)出，則程序通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電池電壓讀取，并依次讀取多路溫度結(jié)點(diǎn)的輸出值，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于板載Flash中。同時(shí)，利用串口將所得數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，若收到導(dǎo)出指令，則程序執(zhí)行板載Flash數(shù)據(jù)導(dǎo)出操作。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了提高開(kāi)發(fā)效率，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)。LabVIEW提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔直觀的圖形化編程環(huán)境，可以輕松搭建友好美觀的操作界面，無(wú)需編寫繁瑣的計(jì)算機(jī)程序代碼，大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。

旋轉(zhuǎn)熱管溫度監(jiān)測(cè)界面(正在進(jìn)行溫度采集)如圖6所示，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，其主要由通信設(shè)置、溫度顯示、電池低壓報(bào)警及操作臺(tái)等模塊組成。用戶可以方便地在界面上進(jìn)行溫度采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)出及查看數(shù)據(jù)等功能，極大地提高了工作效率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)接觸式系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)熱管相同區(qū)域同時(shí)進(jìn)行溫度采集，旋轉(zhuǎn)熱管固定轉(zhuǎn)速為100 r/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖7所示。從圖中可以看出，接觸式溫度采集系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下采集的溫度信號(hào)存在很大的干擾，穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)量達(dá)到了11.65℃，而本系統(tǒng)所采集的溫度基本無(wú)明顯毛刺，穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)量?jī)H為2.45℃，與真實(shí)溫度情況相符，滿足旋轉(zhuǎn)熱管溫度采集的精確性和可靠性的要求。

結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)熱管溫度遙測(cè)系統(tǒng)以TM4C123GH6PM為主控芯片，通過(guò)SPI接口連接MAX6675，不斷采集K型熱電偶輸出的信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線串口通信模塊將溫度值發(fā)送給上位機(jī)。基于Lab VIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面易于操作，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和回放等多個(gè)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)接觸式溫度采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)有效避免了信號(hào)干擾，并具備成本低、操作方便和擴(kuò)展性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，為旋轉(zhuǎn)熱管溫度精確采集提供了一種行之有效的解決方案。