基于C8051F020的K型熱電偶無線測溫系統(tǒng)設計

　　O 引言

　　目前，溫度測量已被廣泛應用于鋼鐵、冶金、工業(yè)焊接、波峰焊、回流焊等各個領域。這些應用的待測溫度很高，測量環(huán)境非常惡劣。傳統(tǒng)的有線測溫裝置，在這種測溫環(huán)境下，或無法應用，或受到很多限制。這就要求研發(fā)無線的測溫系統(tǒng)。這種系統(tǒng)要能夠耐受惡劣的環(huán)境，還要具有高的測量精度和溫度采集速度，并能在遠距離由上位機接收。

　　根據(jù)上述工業(yè)生產(chǎn)的需要，本文研發(fā)出了一種無線測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用K型熱電偶作為感溫原件，測溫范圍大，適用于波峰焊、回流焊等高溫領域。而且本系統(tǒng)具有獨立的溫度補償電路，從而解決了某些集成溫度補償芯片溫度采集速度慢的問題，提高了溫度測量的靈敏度。由于本系統(tǒng)是無線收發(fā)，使用CCl000作為無線通訊芯片，故可以在一定距離由上位機接收數(shù)據(jù)并實時監(jiān)控。另外，本系統(tǒng)還有實時記錄數(shù)據(jù)的功能，并可在無線通訊出現(xiàn)障礙時，把數(shù)據(jù)保存下來，而后等溫度采集結(jié)束后，由上位機軟件讀出。

　　1 系統(tǒng)硬件設計

　　本系統(tǒng)采用SOC芯片C805lF020作為主控制芯片。這款單片機采用25MIPS 8051 CPU流水線指令結(jié)構，具備片內(nèi)64 KB Flash程序存儲器、256 KB+4 KB片內(nèi)RAM及兩個外部RAM擴展接口、5個16位定時器和JTAG非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試等特性。C8051F020作為一個片上系統(tǒng)，具有豐富而強大的外設，其AD轉(zhuǎn)換器具有12位，可以有效提高熱電偶的輸入采集精度。

　　另外，采用Atmegal6相配合的目的是為了提高系統(tǒng)的采集速度，進而提高溫度測量的靈敏度。通過CCl000完成短距離無線通信。FLASH芯片可對溫度數(shù)據(jù)進行存儲，以在無線通信故障時讀取。C8051F020通過CP2102的轉(zhuǎn)換后，可用USB端口與上位機通信。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構框圖如圖1所示。

　　1.1 以C8051F020為中心的系統(tǒng)控制模塊

　　本模塊包含C805lF020控制模塊、FLASH存儲模塊、CP2102通信模塊。當系統(tǒng)處于發(fā)送狀態(tài)時，C805lF020用于對熱電偶的輸入模擬信號進行采集，并將采集信號經(jīng)12位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由C805lF020對數(shù)據(jù)進行查表，再將其轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理、打包。最后將數(shù)據(jù)寫入FLASH芯片，并通過串口發(fā)送給Atmegal6。

　　當系統(tǒng)處于等待狀態(tài)時，它將與上位機通過IJSB接口進行通信。CP2102可完成串口與USB接口的轉(zhuǎn)換。如果系統(tǒng)接到上位機的命令，要求讀取數(shù)據(jù)，則C805lF020將從FLASH芯片將數(shù)據(jù)讀出，然后通過串口發(fā)送出去，再經(jīng)CP2102，由USB接口輸入上位機。

　　1.2 以CCl000為中心的無線發(fā)射模塊

　　無線發(fā)射模塊包括CCl000、Atmegal6和天線。其中CCl000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術，在0.35μm CMOS工藝下制造的一種理想超高頻單片收發(fā)通信芯片。CCl000的工作頻帶在315、433、868及915 MHz。而且很容易通過編程使其工作在300~1000 MHz范圍內(nèi)。AVR單片機Atmegal6可用于完成對CCl000的初始化，以及和CCl000的通信，同時也和主控芯片C805lF020保持通信。當系統(tǒng)處于發(fā)送狀態(tài)時，Atmegal6接收到C8051F020發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，便通過CC1000向外發(fā)送。

　　1. 3 以熱電偶為中心的溫度采集模塊

　　本模塊包括電壓式溫度傳感器TMP35和K型熱電偶。其中熱電偶的工作原理是根據(jù)熱端和冷端的溫度差而產(chǎn)生電勢差。由于實際測量時，冷端的溫度往往不是O℃，所以要對熱電偶進行溫度補償。熱電偶溫度補償公式如下：

　　E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)

　　其中，E(t0，0)是實際測量的電動勢，t代表熱端溫度，t0代表冷端溫度，0代表O℃。在現(xiàn)場溫度測量中，由于熱電偶冷端溫度一般不為O℃，而是在一定范圍內(nèi)變化著，因此測得的熱電勢為E(t，t0)。如果要測得真實的被測溫度所對應的熱電勢E(t，0)，就必須補償冷端不是0℃所需的補償電勢E(t0，0)，而且，該補償電勢隨冷端溫度變化的特性必須與熱電偶的熱電特性相一致，這樣才能獲得最佳補償效果。

　　圖2所示是一個溫度補償電路的原理圖。圖中，溫度傳感器TMP35很好的完成了溫度補償工作，TMP35輸出的電壓先經(jīng)電阻分壓，再經(jīng)放大器放大，就是K型熱電偶對應的E(t0，O)。

　　2 系統(tǒng)軟件設計

　　發(fā)射板的軟件設計主要包括以C8051F020的主控制模塊程序和以Atmegal6為中心的無線發(fā)射模塊程序。主控程序模塊主要完成溫度采集、數(shù)據(jù)處理、向無線發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)以及測試溫度數(shù)據(jù)的保存、和上位機的通訊等。無線發(fā)射程序模塊主要負責對CC1000的初始化，在等待狀態(tài)時接收C805lF020的數(shù)據(jù)包，并通過CC1000發(fā)送。

　　2.1 主控制模塊程序設計

　　主控制模塊程序主要完成的功能是對熱電偶的輸入模擬信號進行采樣，然后進行查表，以將查表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)并打包。當發(fā)送標志允許時，寫入FLASH保存，同時通過串口發(fā)送給Atmegal6。其系統(tǒng)軟件模塊流程圖如圖3所示。

　　本系統(tǒng)在上電復位后，應首先對C8051F020的各功能模塊進行初始化。包括串口0、串口1、AD轉(zhuǎn)換器、計數(shù)器TO、Tl、T2和中斷程序等。系統(tǒng)每50 ms通過12位AD轉(zhuǎn)換器對輸入信號進行一次采樣，并將采樣信號查表轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)。然后對數(shù)據(jù)加上幀頭，幀尾和校驗位。最后將幾幀數(shù)據(jù)打成一個數(shù)據(jù)包。

　　當發(fā)送標志允許時，C805lF020每50 ms將數(shù)據(jù)包寫入FLASH芯片AT45DB041D。同時將數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送給Atmegal6。

　　2.2 無線發(fā)射模塊程序設計

　　無線發(fā)射程序的主要功能是通過Atmegal6完成對CCl000的初始化，從C805lF020接收數(shù)據(jù)，并由CCl000發(fā)送出去。無線發(fā)射程序的流程如圖3 (b)所示。

　　在設計無線發(fā)射模塊的程序時，首先應通過Atmegal6完成端口初始化，以及TO和T1的初始化，同時還有串口初始化和中斷程序，并對CC1000進行初始化編程。然后，Atmegal6進入循環(huán)等待。當確認接收到數(shù)據(jù)時，先確認數(shù)據(jù)有效，然后喚醒CC1000并將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

　　3 系統(tǒng)性能分析

　　本測溫系統(tǒng)的特點在于使用了雙CPU和獨立的溫度補償電路，其意義在于有效提高了溫度采集的速度，進而提高測量溫度變化的靈敏度。實際測試表明，本系統(tǒng)的測量精度為O.5%，溫度采集速度為50 ms。

　　本系統(tǒng)采用的獨立溫度補償電路是以電壓式溫度傳感器TMP35為溫度補償原件。熱電偶的輸入電動勢經(jīng)溫度補償之后，經(jīng)精密軌對軌運放OP747進一步放大，再輸入到C8051F020的AD轉(zhuǎn)換器。這樣可避免使用某些集成熱電偶溫度補償芯片所帶來的速度受限問題。

　　本系統(tǒng)采用C8051F020作為新一代的SOC芯片，具有豐富而強大的外設，它具有2個AD轉(zhuǎn)換器，其中ADO具有12位精度，故可有效保證溫度信號的精確采集。

　　而采用雙CPU結(jié)構C805lF020和Atmegal6，則可確保系統(tǒng)50 ms的采集時間。因為無線發(fā)射和寫FLASH往往要占用大多數(shù)時間，而采用雙CPU就可以將兩者分開，這樣就有效的保證了系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性。

　　采用FLASH芯片AT45DB041D則可在溫度采集時實時將數(shù)據(jù)寫入FLASH，以便在無線發(fā)射出現(xiàn)障礙時仍可有效保存數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)可由上位機通過USB接口讀取。

　　4 結(jié)束語

　　與國內(nèi)外目前的主流無線溫度測量系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)在測溫精度上達到了較高的水平。而在溫度采集速度上，由于使用了獨立的溫度補償電路，同時采用了雙CPU的系統(tǒng)結(jié)構，因而有效的提高了溫度測量的靈敏度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。另外，由于使用了FLASH芯片，可以保存實時數(shù)據(jù)，也提高了系統(tǒng)的可靠性和實用性。