張 華,鄭 賓* ,武曉棟
(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原030051)
隨著科學技術的發(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??蓱糜谄嚳照{、醫(yī)療儀器、糧食倉庫、樓宇智能控制,煤礦等場合。
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)構成。溫度傳感器感受外界溫度得到模擬信號。模擬信號經過溫度變送器的放大濾波傳給AD采集卡。經AD轉換成為一定精度的數字信號存入計算機。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
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過XTR101變?yōu)? Ma~20 Ma,然后再由電流電壓變換器RCV420轉換為0~5 V輸出。為使熱電偶內阻的差異不影響熱電流的,加入了均衡電阻:R1,R2,R3(他們遠大約溫度傳感器的內阻)。
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計算機等產品。NI Compact RIO系統(tǒng)堅固的硬件架構中包含: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的原理構架,包含對IO的配置、時鐘管理、計數器設置、存儲塊設置、常用FIFO設置等功能。在編程時,編程人員可以直觀方便的對上述功能進行操作[4]。
圖2 變送器電路圖
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)復位程序。第2步啟動溫度測試通道開關進入數據采集。第3步判斷該溫度測試結束號。第4步,在測試結束后判斷是否退出。
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
依據溫度測試系統(tǒng)單通道軟件流程圖,以AI0為例設計單路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
測量永遠不可能得到真值,在估算誤差和評定測量結果時,用“約定真值”代替真值。一般用被測量的公認值。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)使用恒溫溶液箱進行溫度測量誤差分析,按國家一級溫度標準(-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”對比結果如表1所示。
表1 溫度測試系統(tǒng)實驗數據表℃
按照誤差的來源和性質不同,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肅認真的態(tài)度,就可以消除;隨機誤差可以通過增加測量次數減少;系統(tǒng)誤差,可以以恒溫溶液箱測得值為標準,采用溫度標定和軟件補償來達到校正的目的。
恒溫溶液箱的精度為0.01℃,而本系統(tǒng)的測量精度為0.1℃,因此偏差均值應該估讀到精度為0.1℃,對應的修正值精度也為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據處理圖表。
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)實驗修正數據 ℃
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的結構性,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信號調理電路及其應用[J].儀表技術與傳感器,1997(12):25-28.
[2]尚麗娜.FPGA動態(tài)可重構研究[D].杭州:浙江大學,2006.
[3]謝志萍.USB總線的溫度測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].儀表技術與傳感器,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].儀器儀表標準化與計量,2005(6):37-39.
[5]劉嵐,黃秋元,陳適.FPGA應用技術基礎教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:5.
[6]王廣志,吳穎,黃志光.數字式溫度傳感器與分布式溫度測量系統(tǒng)[J].傳感技術學報,2001,14(1):26-32.
[7]楊曉玲,伍永順.高準確度溫度測量系統(tǒng)信號調理[J].傳感器技術,2003,22(6):47-51.
[8]許駿,渭川,彭澄廉.基于模塊的動態(tài)可重構系統(tǒng)設計[J].計算機工程與設計,2008,29(6):1367-1369.
[9]陳曉畋,韓愛芳.基于FPGA的可重構計算技術研究[J].計算機與信息技術,2010(4):51-54.
[10]朱凱科.FPGA動態(tài)可重構設計方法研究[D].杭州:浙江大學,2006.
[11]羅毅.動態(tài)可重構FPGA的電路測試技術研究[D].成都:電子科技大學,2009.
[12]黨崇倫.基于FPGA的關節(jié)伺服控制器容錯技術研究[D].北京郵電大學,2008.