专利名称：一种温度采集模块的制作方法
技术领域：
一种温度采集模块技术领域[0001]本发明涉及一种温度采集模块，尤其涉及一种可在两线制温度采集模式、三线制 温度采集模式之间任意切换，且采用恒流、差分采样模式进行采样的温度采集模块。
背景技术：
[0002]在风电行业中，需要对电机、轴承、油温、电控器件、舱内环境、舱外环境等关键器 件或环境温度进行采集，同时要求温度采集器件具备较高的抗干扰能力，而PTioo具有测 温范围宽、易于封装、稳定性好、精度较高等特点，使温度采集模块在风电行业的测温系统 中得到了广泛的应用。[0003]然而，在常规的PT100温度采集模块中，通常采用恒压电桥驱动PT100的方法来 实现温度测量，在该方法中，恒压驱动方式由于电流较小，线路阻抗大，故抗干扰能力差，而 且对电源质量要求很高；同时为了满足单个采集模块实现多路采集，需要若干个恒压电桥、 ADC通道，这样使得成本成倍地增加，结构也更加的复杂，也进一步降低了在工业环境应用 的抗干扰性能；同时不同ADC通道之间的一致性误差需要生产厂商校准，进一步增加了生 产、检测的工时成本。[0004]而，在温度采集模块采集温度数据时无法消除连接在PT100探头与温度采集模块 之间的线缆电阻的影响，故而如何保证采集数据的准确性是温度采集模块需要解决的一大 问题。发明内容[0005]本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种利用恒流、差分采样原 理进行温度采样的温度采集模块。[0006]为实现上述目的，本发明一种温度采集模块与外部上位机、外部直流电源及至少 一 PT100探头相互电连接，所述温度采集模块包括一微控制器、一 PT100采样通道选择地 址线、一单通道差分ADC、两精密恒流源、一多路模拟复用器、一双路精密电压信号放大电 路及至少一两/三线制选择开关；所述多路模拟复用器进一步包括至少一多路模拟复用 器开关组；所述微控制器(一)用于接收上位机的控制命令，并向上位机传送采样温度值数 据，(二)用于控制两/三线制选择开关的关断以分别适配两线制温度采集模式及三线制温 度采集模式，(H)用于根据单通道差分ADC送入的编码值而计算出对应时刻的采样温度值 并存储，(四)用于控制两精密恒流源分别产生一恒定电流并控制两恒定电流同步灌入同一 PT100探头内，(五)用于生成地址信号并控制同一组连接于同一 PT100探头的多路模拟复用 器开关的关断以有选择性地将两精密恒流源分别产生恒定电流灌入同一 PT100探头内；所 述PT100采样通道选择地址线用作微控制器的地址信号传输通道；所述精密恒流源向所述 PTlOO探头供应恒定电流；所述多路模拟复用器(一)用于根据地址信号生成开关量信号并 由开关量信号有选择性地控制同一组连接于同一 PTlOO探头的内置多路模拟复用器开关 的同时关闭和断开，(二)用于接收微控制器送出的地址信号并转译成电流输出信号，实现将两精密恒流源所输出的电流同步灌入一 PTlOO探头内；所述双路精密电压信号放大电路用于分别采集两精密恒流源输出端的端电压，并同步放大两精密恒流源输出端的端电压； 所述单通道差分ADC用于对双路精密电压信号放大电路送入的电压进行差值运算，并对通过差值运算得到的采样电压进行相应的编码。[0007]综上所述，本发明一种温度采集模块因借助单通道差分ADC、精密恒流源及双路精密电压信号放大电路等电路元器件组合并籍由恒流、差分的采样原理而可有效地实现温度数据的准确采集，且本发明温度采集模块的两/三线制选择开关可实现两线制温度数据采集模式与三线制温度数据采集模式的自由切换，故而可适配两种温度数据采集模式。


[0008]图1为本发明一种温度采集模的功能模块示意图。[0009]图2为与本发明温度采集模块相互连接的PT100探头的等效电路图。
具体实施方式
[0010]为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。[0011]请参阅图1，本发明一种温度采集模块100，与外部上位机200、外部直流电源400 及至少一 PT100探头(钼热电阻探头)300相互电连接。所述每一 PT100探头300均通过三条线缆与本温度采集模块100实现电连接和信号传输，所述线缆的电阻值均为I。本发明一种温度采集模块100包括一微控制器(MCU)1、一 PT100采样通道选择地址线2、一单通道差分ADC3、两精密恒流源4、一多路模拟复用器5、一双路精密电压信号放大电路6、至少一两/三线制选择开关7、一数字/模拟电源8及一 RS485收发器9。具体地，本发明温度采集模块100通过所述RS485接收器与诸如风力发电机组控制系统等外部上位机200实现电连接和信号传输，具体地，所述RS485收发器9用于收发上位机200的RS485控制信号并向微控制器I传送以实现微控制器I向上位机200传送米样温度值数据；通过所述数字/模拟电源8将外部直流电源400的电能供给给本发明温度采集模块100 ;通过所述多路模拟复用器5至少挂接一 PT100探头300。[0013]所述多路模拟复用器5为双路同步型的多路模拟复用器。所述多路模拟复用器5 进一步包括一译码器51、至少一多路模拟复用器开关组52。[0014]所述多路模拟复用器开关组52进一步包括第一多路模拟复用器开关组521、第二多路模拟复用器开关组522。第一、第二多路模拟复用器开关组521的开关数量相等，且对应。所述第一多路模拟复用器开关组521进一步包括若干开关5211、.......521N，其中N ^ 8，且N为自然数。第二多路模拟复用器开关组522进一步包括若干开关5221........522N，其中N^8，且N为自然数。所述第一多路模拟复用器开关组521中的一开关与第二多路模拟复用器开关组522N中的一对应开关共同构成其中的一多路模拟复用器开关组52。例如，第一多路模拟复用器开关组521中的开关5211与第二多路模拟复用器开关组522中的开关5221共同构成其中的一多路模拟复用器开关组52 ;第一多路模拟复用器开关组521中的开关5212与第二多路模拟复用器开关组522中的开关5222共同构成其中的另一多路模拟复用器开关组52......[0015]所述精密恒流源为2mA精密恒流源。为便于区别，特将所述两精密恒流源分别命名为精密恒流源-A41及精密恒流源-B42。[0016]所述微控制器I (一)用于接收上位机200的控制命令,并向上位机200传送米样温度值数据，(二)用于控制两/三线制选择开关7的关断以分别适配两线制温度采集模式及三线制温度采集模式，(三)用于接收单通道差分ADC3送入的编码值并计算出对应时刻的采样温度值并存储，(四)用于控制两精密恒流源4分别产生一恒定电流并控制两恒定电流同步灌入同一 PT100探头300内，(五)用于生成地址信号并控制一连接于同一 PT100探头 300的多路模拟复用器开关组52的关断以有选择性地将两精密恒流源4分别产生恒定电流灌入同一 PT100探头300内。[0017]所述微控制器I进一步包括一 EEPR0M11 (电可擦可编程只读存储器)、一 UART12 (通用异步接收/发送装置)、一 I/o接口 13 (信号输入/输出接口)、一 SPI接口 14及一 SRAMl5 (静态随机存储器)。[0018]所述UART12通过所述RS485收发器9及RS485总线与上一级上位机200实现电连接和信号传输。[0019]所述PT100采样通道选择地址线2作为微控制器I的地址信号的传输通道，且该所述PT100采样通道选择地址线2连接于微控制器I与多路模拟复用器5之间。[0020]在本优选实施例中，所述单通道差分ADC3为一 16位单通道差分ADC。所述单通道差分ADC3通过所述微控制器I的SPI接口 14实现与微控制器I的电连接和信号传输。[0021]另外，所述微控制器I通过I/O接口 13、PT100采样通道选择地址线2与多路模拟复用器5的译码器51实现电连接和信号传输。[0022]所述该多路模拟复用器5 (—)用于根据地址信号生成开关量信号并由开关量信号有选择性地控制同一组连接于同一 PTioo探头300的内置多路模拟复用器开关52的同时关闭和断开；(二)用于接收地址信号并转译成电流输出信号，可实现将精密恒流源-Α41 及精密恒流源-Β42所输出的恒定电流同步灌入一 ΡΤ100探头300内。[0023]所述译码器51用于接收微控制器I发出的地址信号并转译成所述的开关量信号和电流输出信号。[0024]在本优选实施例中，所述译码器51可采用3位8线译码器，也可采用4位16线译码器。具体实施例中，所述译码器51采用3位8线译码器时，多路模拟复用器5可至多挂接有8个ΡΤ100探头300 ;所述译码器51采用4位16线译码器时，多路模拟复用器5可至多挂接16个ΡΤ100探头300。[0025]因被采集温度变化较慢，使得温度数据的采样周期并不敏感，故本发明温度采样模块100基于上述原因，应用了多路模拟复用器5。该多路模拟复用器5能够在仅具有一单通道差分ADC3、两精密恒流源4及一双路精密电压信号放大电路6的情况下确保采集温度的精度足够高；误差在可接受范围内的基础上，以；2#的规模扩展ΡΤ100探头300接入温度采集模块I00的数量。[0026]所述其中一精密恒流源-Α41的输出端连接双路精密电压信号放大电路6的其中一输入端，同时，第一多路模拟复用器开关组521各开关以与双路精密电压信号放大电路6 并联的方式连接在上述精密恒流源-Α41的输出端；另一精密恒流源-Β42的输出端连接双路精密电压信号放大电 路6的另一输入端，同时，第二多路模拟多路模拟复用器开关组522各开关以与双路精密电压信号放大电路6并联的方式连接在精密恒流源-B42的输出端。[0027]所述精密恒流源4用于向一 PT100探头300供应恒定电流。具体地，所述精密恒流源-A41及精密恒流源-B42用于接收多路模拟复用器5送出的电流输出信号并藉由电流输出信号的控制分别输出相应的电流电流J2给挂接在本发明温度采集模块100上的同一 PT100探头300。本具体实施例中，精密恒流源-A41及精密恒流源-B42输出电流相等且十旦定， 即=/o[0028]因本发明温度采集模块100与每一 ΡΤ100探头300均通过一组线缆实现相互连接，每组三条线缆，实际温度采集时，因每条线缆的电阻大小对本发明温度采集模块100的采样温度值数据的采样精度影响极大，故需采用同型号的长度电阻相同的线缆。[0029]具体地，请参阅图2，所述ΡΤ100探头300的一相对端X通过所述第一多路模拟复用器开关组521中的一开关及一线缆与其中一精密恒流源Α41实现电连接；所述ΡΤ100 探头300的另一相对端Y通过所述第二多路模拟复用器开关组522中的一对应开关及一线缆与其中另一精密恒流源Β42实现电连接；同时，所述线缆、一两/三线制选择开关7串联后，线缆的自由端与所述ΡΤ100探头300的另一相对端Y相互连接，两/三线制选择开关7 的空闲端连接在第二多路模拟复用器开关组522中的对应开关上，即其中一线缆与两/三线制选择开关7先串联后，再与一线缆并联，上述形成的电路连接在第二多路模拟复用器开关组522的开关与ΡΤ100探头300的另一相对端Y之间，并且在电阻JIb与两/三线制选择开关7通过一导线接地。[0030]设定ΡΤ100探头300特定时刻的电阻的阻值为& ;多路模拟复用器开关组的单个开关电阻的阻值为15_ ;精密恒流源-Α41、精密恒流源-Β42输出端的端电压分别为[0031]具体地，双路精密电压信号放大电路6用于分别采集两精密恒流源4输出端的端电压，两精密恒流源4输出端的端电压为相对于接地端的端电压之间的电压差。所述双路精密电压信号放大电路6根据两/三线制温度采集模式的不同、I/ =邏、两精密恒流源4产生的恒定电流l| =I2 =1、单根线缆的电阻值f_、ΡΤ100探头300特定温度时刻的电阻還_及多路模拟复用器开关组52的单个开关电阻分别将两精密恒流源4输出端的端电压P1 、1/2表示出来，并分别同步放大精密恒流源Α41及精密恒流源Β42输出端的端电压IJrIJ2 ^倍以分别得到且可确保输出电压Ga在单通道差分ADC3 的采样电压范围内。[0032]当本发明温度采集模块100切换到两线制温度采集模式时，两精密恒流源4输出端的端电压分别为可表示为JI1^IlXflmi Hxl1.Ht)及U2 =I1Xd Ilxit),,[0033]当本发明温度采集模块100切换到三线制温度采集模式时，两精密恒流源4输出端的端电压分别可表示为A = J1X(Rlffi +1_5χ矣+RJ及[0034]放大倍数可大于I也可小于I。在本具体实施例中大于I。[0035]在优选实施例中，本发明温度采集模块100的双路精密电压信号放大电路6的输入阻抗至少大于1(Ρ Ω，因所述双路精密电压信号放大电路6与多路模拟复用器5以并联的方式实现相互的电性连接，故进入双路精密电压信号放大电路6的电流/t、J2极小；且双路精密电压信号放大电路6的输入阻抗足够大，故进入到双路精密电压信号放大电路6的电流/|、jF2可忽略不计ο[0036]所述单通道差分ADC3用于对双路精密电压信号放大电路送入的电压进行差值运算，并对通过差值运算得到的采样电压进行相应的编码。具体地，所述单通道差分ADC3用于对双路精密电压信号放大电路6送入的电压Crf、电压XU2进行差值运算得到采样电压U1,且所述单通道差分ADC3对电压Orf及Ufl进行如下计算 一 K (两线制采集模时,|^_为三线制采集模式时,1/_为 U1并通过内置的输出编码规则对采样电压进行相应的编码,进而得出相应的编码值{^。所述单通道差分adc3内置的编码规则为CW =/Fcca(其中, 为已知数)。[0037]所述两/三线制选择开关7用于根据温度采集模块2的采集模式有选择性地关闭和断开以分别在两线制温度采集模式、三线制温度采集模式之间的自由切换。[0038]本发明温度采集模块100所述采样温度值数据是利用恒流、差分采样的原理，并借助精密恒流源-Α41、精密恒流源-Β42、双路精密电压信号放大电路6、单通道差分ADC3、 微控制器I及内置的对应算法而得出相应采样温度数据。所述各采样温度值数据存储在微控制器I的SRAMl5中。[0039]所述数字/模拟电源8用于通过外部电源400向微控制器1、RS485收发器9、单通道差分ADC3、双路精密电压信号放大电路6及多路模拟复用器5供应电能。本发明一种温度采集模块100的工作过程如下[0041]当本发明一种温度采集模块100切换到三线制温度采集模式时，两/三线制选择开关7处于断开状态，所述微控制器I通过ΡΤ100采样通道选择地址线2将地址信号传送给多路模拟复用器5的译码器51 ;所述译码器51分别将地址信号转译成相应的开关量信号和电流输出信号并送出，所述开关量信号控制同一多路模拟复用器开关组52同时关断；同时，由地址信号转译过来的电流输出信号控制精密恒流源-Α41、精密恒流源-Β42对应输出电流it、电流I2并同步灌入同一只PT100探头300 ;所述双路精密电压信号放大电路6分别采集精密恒流源-A41、精密恒流源-B42输出端的端电压并根据三线制温度采集模式的电路关系、p=H、两精密恒流源4产生的恒定电流I1 =I2 =1、单根线缆的电阻值1_、PT100探头300特定温度时刻的电阻It及多路模拟复用器开关组52的单个开关电阻^^分别将精密恒流源-A41、精密恒流源-B42的端电压表示出来，即存在如下关系[0042]"I +2xVr1)[0043]i/,[0044]所述双路精密电压信号放大电路6对精密恒流源-A41的端电压(T1及精密恒流源-B42的端电压U2放大4倍，即Up =4^1 -AfWr所述双路精密电压信号放大电路6送入到单通道差分ADC3内；单通道差分ADC3对传送来的行差值运算，进而得到采样电压=%戈=所述单通道差分ADC3结合内置的输出编码规则Cb&其中，_为已知数)对采样电压进行1/_编码并输出相应的编码值所述编码值由单通道差分ADC3进一步传送给微控制器I并由微控制器I计算出对应温度时刻的电阻If ;电阻Jit由微控制器I接收后，微控制器I通过查询微控制器I内置的PT100分度表并通过分段线性化算法而计算出相应的采样温度值数据并存储；所述微控制器I根据外部上位机200的数据要求向外部上位机200传送采样温度值数据。[0045]当本发明一种温度采集模块100切换到二线制采集模式时，两/三线制选择开关7 处于关闭状态，所述微控制器I通过PTioo采样通道选择地址线2将地址信号传送给多路模拟复用器5的译码器51 ;所述该译码器51将地址信号分别转译开关量信号和电流输出信号并送出，所述开关量信号控制同一组多路模拟复用器开关组52同时闭合；同时，由地址信号转译过来的电流输出信号控制精密恒流源-A41、精密恒流源-B42对应输出的电流 #1>电流J2并同步灌入同一只PTioo探头300 ;所述双路精密电压信号放大电路6分别采集精密恒流源-A41、精密恒流源-B42输出端的端电压PrP2并根据二线制采集模式的电路关系、U= ||、两精密恒流源4产生的恒定电流I1 =I2 =f、单根线缆的电阻值I·、PT100探头300特定温度时刻的电阻It及多路模拟复用器开关组52的单个开关电阻L分别将精密恒流源-A41、精密恒流源-B42的端电压 ^、 /2表示出来，即存在如下关系[0046]
权利要求1.一种温度采集模块，与外部上位机、外部直流电源及至少一PTioo探头相互电连接， 其特征在于该温度采集模块包括一微控制器、一 PTlOO采样通道选择地址线、一单通道差分ADC、 两精密恒流源、一多路模拟复用器、一双路精密电压信号放大电路及至少一两/三线制选择开关；所述多路模拟复用器进一步包括至少一多路模拟复用器开关组；所述微控制器(一)用于接收上位机的控制命令，并向上位机传送采样温度值数据，(二 ) 用于控制两/三线制选择开关的关断以分别适配两线制温度采集模式及三线制温度采集模式，(三)用于根据单通道差分ADC送入的编码值而计算出对应时刻的采样温度值并存储， (四)用于控制两精密恒流源分别产生一恒定电流并控制两恒定电流同步灌入同一 PT100探头内，(五)用于生成地址信号并控制同一组连接于同一 PT100探头的多路模拟复用器开关的关断以有选择性地将两精密恒流源分别产生恒定电流灌入同一 PT100探头内；所述PT100采样通道选择地址线用作微控制器的地址信号传输通道；所述精密恒流源向所述PTioo探头供应恒定电流；所述多路模拟复用器(一)用于根据地址信号生成开关量信号并由开关量信号有选择性地控制同一组连接于同一 PT100探头的内置多路模拟复用器开关的同时关闭和断开， (二)用于接收微控制器送出的地址信号并转译成电流输出信号，实现将两精密恒流源所输出的电流同步灌入一 PTlOO探头内；所述双路精密电压信号放大电路用于分别采集两精密恒流源输出端的端电压，并同步放大两精密恒流源输出端的端电压；所述单通道差分ADC用于对双路精密电压信号放大电路送入的电压进行差值运算，并对通过差值运算得到的采样电压进行相应的编码。
2.根据权利要求1所述的一种温度采集模块，其特征在于所述单通道差分ADC为一 16位单通道差分ADC。
3.根据权利要求1所述的一种温度采集模块，其特征在于所述多路模拟复用器为双路同步型多路模拟复用器。
4.根据权利要求1所述的一种温度采集模块，其特征在于所述精密恒流源为2mA精密恒流源。
5.根据权利要求1所述的一种温度采集模块，其特征在于所述PT100采样通道选择地址线连接于微控制器与多路模拟复用器之间。
6.根据权利要求1所述的一种温度采集模块，其特征在于所述多路模拟复用器进一步包括一译码器，所述译码器可采用3位8线译码器，且当译码器采用3位8线译码器时， 多路模拟复用器可至多挂接有8个PT100探头，所述译码器可采用4位16线译码器，且当译码器采用4位16线译码器时，多路模拟复用器可至多挂接16个PT100探头。
7.根据权利要求1所述的一种温度采集模块，其特征在于所述多路模拟复用器开关组进一步包括第一多路模拟复用器开关组、第二多路模拟复用器开关组，第一、第二多路模拟复用器开关组的开关数量相等且一一对应，所述第一多路模拟复用器开关组中的一开关与第二多路模拟复用器开关组中的一对应开关共同构成其中的一多路模拟复用器开关组。
8.根据权利要求1所述的一种温度采集模块，其特征在于所述其中一精密恒流源的输出端连接双路精密电压信号放大电路的其中一输入端，同时，第一多路模拟复用器开关组各开关以与双路精密电压信号放大电路并联的方式连接在上述其中一精密恒流源的输出端。
9.根据权利要求1所述的一种温度采集模块，其特征在于另一精密恒流源的输出端连接双路精密电压信号放大电路的另一输入端，同时，第二多路模拟多路模拟复用器开关组各开关以与双路精密电压信号放大电路并联的方式连接在上述另一精密恒流源的输出端。
10.根据权利要求1所述的一种温度采集模块，其特征在于所述双路精密电压信号放大电路的输入阻抗至少大于l(f Ω。
专利摘要本实用新型公开了一种温度采集模块，该温度采集模块与外部上位机、外部直流电源及至少一PT100探头相互电连接，且该温度采集模块包括一微控制器、一PT100采样通道选择地址线、一单通道差分ADC、两精密恒流源、一多路模拟复用器、一双路精密电压信号放大电路及至少一两/三线制选择开关。本实用新型一种温度采集模块因借助单通道差分ADC、精密恒流源及双路精密电压信号放大电路等电路元器件组合并籍由恒流、差分的采样原理而可有效地实现温度数据的准确采集，且本实用新型温度采集模块两/三线制选择开关可实现两线制温度数据采集模式与三线制温度数据采集模式的自由切换，故而可适配两种温度数据采集模式。
文档编号G01K7/20GK202836818SQ20122051786
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者李泳林 申请人:成都阜特科技股份有限公司