高精度海水温度检测系统设计

1、第34卷第5期2011年10月电子器件ChineseJournalofElectronDevicesVol34No5Oct2011TheHighPrecisionSea-WaterTemperatureDetectionSystemDesign*JINYiting，LIUJingbiao*，ZHANGXueting（ElectronicInformationCollegeofHangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018，China）Abstract：Akindofsea-watertemperaturedetectionsystemwithhighprecis

2、ionisdesigned，whichisaveryimpor-tantapplicationintheresearchfieldofphysicaloceanographyInthesystem，aplatinumresistenceisusedinWheatstonebridgetooutputthedifferentsignalsandtheprecisioninstrumentationamplifierINA118and24bit-anolog-to-digitalconverterADS1255areusedasamplificationtomodulatethecircuitTh

3、esystemiscorrectedwithsoftwareTherealizationofpreliminaryactualmeasurementshowsthatthesystemcouldreachtheresolvingcapabilityof00001andprecisionwithin±002Keywords：temperaturedetection；INA118；ADS1255；platinumresistance；smallsignalamplificationEEACC：7320R；7210doi：103969/jissn10059490201105015高精度海水

4、温度检测系统设计*金义亭，刘敬彪，章雪挺*（杭州电子科技大学电子信息学院，杭州310018）摘要：介绍了一种高精度海水温度检测系统，在物理海洋等研究领域有着重要的应用。在温度检测系统中，铂电阻传感器通过惠斯通电桥输出差分信号，采用精密仪表放大器INA118将差分信号线性放大，然后通过高性能24位-模数转换器ADS1255转化为数字信号，并加以软件校正。初步实测结果表明，本系统可达到00001的分辨率和±002以内的精度。关键词：温度检测；小信号放大；铂电阻；INA118；ADS1255中图分类号：TP2742文献标识码：A海洋水体物理参数是海洋学研究的重要依据之对于一。在不同区域对海

5、水温度微弱变化的检测，海洋气候、海洋生物和海洋资源等各学科领域的研究有着重要的意义。一般意义上的海洋用温度检测系统的结构图如图1所示。文章编号：10059490（2011）05054204所以选用惠斯通电桥产生，并选用高精度、高稳果，为了消除引线定度和低噪声的金属膜电阻做桥臂，电阻的影响，采用三线制铂电阻测温方案，如图2所示，铂电阻引线引起的非线性和铂电阻自身阻值的非线性将采用软件校正的方法。电桥供电采用高精度、低噪声的稳压源，再加以RC低通滤波器，输出的直流电压小信号噪声可以很好得到抑制。图1系统结构框图本文所采用的传感器为灵敏度与稳定度均高于半导体温敏电阻的金属铂电阻，仪表放大器选择INA

6、1118，采用24位-AD转换器。以下按照硬件设计、软件设计和实验测试分析对设计电路进行详尽阐述。图2电桥电路11硬件设计铂电阻及惠斯通电桥前端小信号的精度和灵敏度直接影响测量结铂电阻PT100的阻值随温度变化的特征方程可以表示为：R（t）=R0（1+At+Bt2+Ct3+）（1）R0=100，其中R0为铂电阻在0度时候的阻值，出厂项目来源：浙江省重大科技专项项目（2008C13056）收稿日期：20110427修改日期：20110515第5期金义亭，刘敬彪等：高精度海水温度检测系统设计54331B=6120761×参数值为：A=3910030×10，1072，C=1364

7、689×10103；内置输入过压保护，可通过设置外接电阻RG实现不同的增益。INA118的增益由外接电阻RG决定，电路增益：G=1+50k，如图3所示。RGV=(R2R3+R'·VccR1+R2Rt+R3+2R')（2）R2=R3，Rt=一般在设计电桥各桥臂阻值时，R1+R，R1等于式（1）中的R0，R为铂电阻在t温R'为铂电阻引线的电阻，度下的变化值，所以得到式（3）V=由于RG的稳定性和温漂对增益有影响，以及本系统的高精度增益要求，因此采用高精度、高稳定性、低噪声的金属膜电阻。13模数转换器本系统的AD转换器使用TI公司的ADS125524位无数

8、据丢失、芯片，该芯片具有低噪声、高达23位的无噪声精度、最大非线性度为0001%、采样速率可调、可配置成2个单端输入或1个差分输入、数据缓冲器、可编程PGA、可编程数字滤波器和串行SPI接口等特点。ADS1255是精度极高的模数转换器，为了得到最佳的转换结果，在印制电路板时，要把外部晶振尽可能靠近芯片；还要注意数字地和模拟地走线的分并通过磁珠串接在一起，避免其间有电压差；模开，拟电源和数字电源输入端都要加滤波电容，应是小电容更靠近输入端。基准参考电源对数据转换有直接的影响，低噪声、低温漂和高精度的基准参考电压源就显得十分必3×106的要，本系统选用REF5025作为参考电压源，005

9、%的高精度和3V/V的低噪声，低温漂、很好的提供了基准参考电压，并且在芯片的输入端采用RC低通滤波器来限制高频噪声。ADS1255采样电路如基准参考源电路如图5所示。图4所示，为了更好地提高AD输出精度，本系统设置ADS1255的PGA为1，并设置较低的采样频率。(R2R2+R'·VccR1+R2R1+R+R2+2R'R2·Vcc+V0R（R1+R2）2)（3）继而简化得到式（4）V其中V012（4）R2R1R'·Vcc。（R1+R2）2仪表放大器B公司生产的精密仪表本系统采用的美国B-放大器INA118，它具有高精度、低功耗、高共模抑制比

10、和工作频带宽等优点，适合对各种微弱信号进行放大。仪表运放接线如图3所示。图3仪表运放接线图INA118有三个运算放大器组成差分放大结构，ADS1255的两个通用数字I/O口D0，D1可以接地，这样可以减少功耗。图4ADS1255采样电路544电子器件第34卷voidEXTI9_5_IRQHandler（void）if（EXTI_GetITStatus（EXTI_Line5）！=RESET）EXTI_ClearITPendingBit（EXTI_Line5）；daaata=ADS1255_Read_Data（）；printf（"%fn"，daaata）；图5REF5025基准

11、电路22铂电阻的非线性校正221软件设计程序部分由铂电阻的非线性特征可以得到，随着温度的升高，铂电阻的非线性越来越严重。在本系统中，微弱的非线性都会影响到测量结果的准确度，对铂电阻的非线性校正主要用到反向分度函数法和牛顿迭代法。利用铂电阻测温时，主要是用到铂电阻关于温度的变化而变化的阻值和对应的温度，但当我们需要进行非线性校正时，需要得到的是反向的温度关于阻值变化n程序部分主要有主程序、中断数据采集程序、数据校正程序和数据通信程序等4部分组成。在主程序里需要初始化MCU，初始化ADS1255，PGA设置相关参数，确定数据输出顺序、倍数、数据输出速度、是否开启传感器检测和是否选择时钟输出等。完成

12、初始化后等待中断信号，中断信号由ADS1255的DRDY管脚信号变化产生，然后执行数据采集程序和数据校正程序，最后通过串口通信程序打印出来。当程序进入中断服务程序后，发读ADS1255命令，然后读出24位转换好的数据，可以采样多次，并对数据进行软件校正，最后通过串口打印输出。主要程序流程图如图6所示。即：t=的对应表和对应函数，aiRi。首先，需要根i=1据精度要求和计算量取合适的拟合阶数，然后根据最小二乘法拟合出反向分度函数的系数a0an。牛顿迭代法正是以现有的分度函数为基础来实现非线性校正的，只要分度函数精密，它的校正效果将会很好。在本系统的测量范围（0°30°）内，只

13、需要通过一次迭代就可以得到满意的精度。3实验数据和结论根据本系统的温度测量范围和电路设计图计算出，前端电桥输出的电压范围为0mV85mV，并通过仪表放大器放大到5V之内，设置模数转换器ADS1255的ADCON寄存器的PGA2PGA0具体值选择为000，即放大倍数选择为1，设置DRATE寄存AD输出数器为0×01010011，即采样率每秒30个，据的有效位数为24位，保证测量结果精度。再经过A/D内置缓存、滤波等环节，转换后能得到高精度图6主要程序流程图的结果，然后通过校正函数，最后打印出来。从测得的数据中挑选出几组显示实际温度与输出温度的误如表1所示。表1中的实际温度是以海鸟CTD

14、差，测出来的数据为基准，即假设海鸟CTD测得的温度为准确真实的温度，可以达到00001的精确度；输出温度即为本系统测得的温度。实验数据表明本系统能实现±002以内的精度。本系统设计电路体积小、功耗低、精度高，可以很高精度地测量海水温度。设计电路时需要注意以下几点：（1）数字地和模拟地的分开：电路里有小信号电压，并且需要很高精度，只在某一点用磁珠连接，主程序为：Voidmain（）GPIO_Configuration（）；SPI_Configuration（）；USART_Configuration（）；EXTI_Configuration（）；ADS1255_Init（）；中断程序为

15、：第5期表1实际温度/03007501000135018002000245028503000金义亭，刘敬彪等：高精度海水温度检测系统设计实际温度与输出温度的误差输出温度/000352989575032100102135112179953199882245201285473299951绝对误差/00035001050003200102001120004700118002010002700049545参考文献：1何健，J胡焱，周超24位A/D转换器及ADS1255及其应用2006，32（5）：10361040西南民族大学学报：自然科学版，2文小玲，刘翠梅，易先军铂电阻测温的非线性补偿算法分析J传感

16、器与微系统，2009，28（8）：33363刘少强，张靖，庄哲民三线制铂电阻高精度测温方法J自2002，11（23）：2024动化仪表，4杨昌金，王涛精密低功耗仪表放大器INA118及其应用J2000，6：1415国外电子元器件，5曲继圣数字测温电路的差值灵敏度的设计分析J传感器2005，18（2）：344346技术学报，6张志勇，辛长宇，朱玉龙，等Pt100温度传感器非线性的补偿J电子器件，2007，30（6）：21892191方法与电路实现7张瑜，张升伟基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计J传感器技术学报，2010，3（23）：3113148戴佳，戴卫恒51单片机C语言应用程序设计实例精讲M2006北京：电子工业出版社，9李庆扬，第4版北京：清华大王能超，易大义数值分析M2001学出版社，10牛付震温盐深传感器测量技术的研究与设计D哈尔滨：2008哈尔滨工程大学，保证数字地和模拟地之间无压差；（