一种用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块的制作方法

本实用新型涉及一种温度测量模块，具体涉及一种用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块。

背景技术：

已知的，随着柴油机监控系统智能化程度越来越高,柴油机测点的数量也越来越多，针对这种变化趋势，申请人设计了一种双CAN总线架构的柴油机监控系统，相较以往普遍采用的RS485通讯，该监控系统使用双CAN网络进行内部数据交换，在提高通讯速率和数据量的同时冗余的双CAN网络的应用也增强了监控系统的可靠性。

双CAN总线架构的柴油机监控系统功能组建形式灵活，包含基本组成和扩展组成两部分，基本组成可以满足大部分的柴油机单机监控需求，扩展组成可以选择性增删其中的功能模块使监控系统满足主推进机组、发电机组等不同的成套设备的监控应用需求。在扩展组成中温度测量模块是关键部件之一，其必须满足双CAN总线架构的应用需求，对高速大功率柴油机最大16路曲轴主轴瓦的温度进行测量，因此，开发一种用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块就成了本领域技术人员的必要技术诉求。

技术实现要素：

为克服背景技术中存在的不足，本实用新型提供了一种用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块，本实用新型具有16路通道，可以实现对16路PT1000传感器输入信号的测量，测量范围0～200℃，测量结果通过RS485总线或者CAN总线送出，可用于高速大功率柴油机最大16路曲轴主轴瓦温度的测量。

为实现如上所述的实用新型目的，本实用新型采用如下所述的技术方案：

一种用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块，包括壳体、6路PT1000传感器输入接口、调试口、电源输入口、10路PT1000传感器输入接口、RS485通讯接口、第一路CAN通讯接口、第二路CAN通讯接口和印制电路板，在所述壳体的腔体内设有印制电路板，在所述印制电路板上分别设有输入处理电路、MCU电路、拨码开关、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路，所述MCU电路的输入端分别连接拨码开关和输入处理电路的输出端，MCU电路的输出端分别连接RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路的输入端，输入处理电路、MCU电路、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路分别连接电源电路，在壳体的前面板上分别设有6路PT1000传感器输入接口、调试口、电源输入口、10路PT1000传感器输入接口、RS485通讯接口、第一路CAN通讯接口和第二路CAN通讯接口，所述RS485通讯接口、第一路CAN通讯接口和第二路CAN通讯接口分别连接RS485、第一路CAN和第二路CAN的通讯总线，电源输入口连接供电电源，调试口连接调试设备，6路PT1000传感器输入接口和10路PT1000传感器输入接口分别连接16个PT1000传感器形成所述的用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块。

所述的用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块，所述输入处理电路包括两个8路PT1000驱动、两个模拟多路复用器和两个放大电路，所述模拟多路复用器选用ADG507A，所述放大电路的运放选用AD8608，所述每个8路PT1000驱动的输入端分别连接8个PT1000传感器，8路PT1000驱动的输出端连接模拟多路复用器的输入端，模拟多路复用器的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接MCU。

所述的用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块，所述电源电路为开关型直流电源转换方式，允许供电电压范围为9～36V。

所述的用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块，所述PT1000的测量温度范围为0～200℃，测量精度为±0.5%。

所述的用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块，所述MCU选用飞思卡尔16位处理器9S12XET256。

所述的用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块，所述印制电路板通过螺栓固定在壳体内。

采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下所述的优越性：

本实用新型具有16路通道，可以实现对16路PT1000传感器输入信号的测量，测量范围0～200℃，测量结果通过RS485总线或者CAN总线送出，可用于高速大功率柴油机最大16路曲轴主轴瓦温度的测量，本实用新型具有结构简单，操作方便等特点，适合在高速大功率柴油机监控领域推广和应用。

附图说明

图1是本实用新型中面板的布局结构示意图；

图2是本实用新型的原理架构图；

图3是本实用新型中输入处理电路的原理示意图；

图4是本实用新型中数据处理的示意图；

图5是本实用新型中桥式测量驱动电路的原理示意图；

图6是本实用新型中放大电路的原理示意图；

图7是本实用新型中电阻值-温度修正值分度表示意图；

在图中：1、壳体；2、6路PT1000传感器输入接口；3、调试口；4、电源输入口；5、10路PT1000传感器输入接口；6、RS485通讯接口；7、第一路CAN通讯接口；8、第二路CAN通讯接口。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本实用新型，本实用新型并不局限于下面的实施例；

结合附图1～6所述的一种用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块，包括壳体1、6路PT1000传感器输入接口2、调试口3、电源输入口4、10路PT1000传感器输入接口5、RS485通讯接口6、第一路CAN通讯接口7、第二路CAN通讯接口8和印制电路板，在所述壳体1的腔体内设有印制电路板，在所述印制电路板上分别设有输入处理电路、MCU电路、拨码开关、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路，所述MCU电路的输入端分别连接拨码开关和输入处理电路的输出端，MCU电路的输出端分别连接RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路的输入端，输入处理电路、MCU电路、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路分别连接电源电路，在壳体1的前面板上分别设有6路PT1000传感器输入接口2、调试口3、电源输入口4、10路PT1000传感器输入接口5、RS485通讯接口6、第一路CAN通讯接口7和第二路CAN通讯接口8，所述RS485通讯接口6、第一路CAN通讯接口7和第二路CAN通讯接口8分别连接RS485、第一路CAN和第二路CAN的通讯总线，电源输入口4连接供电电源，调试口3连接调试设备，6路PT1000传感器输入接口2和10路PT1000传感器输入接口5分别连接16个PT1000传感器形成所述的用于柴油机监控系统的PT1000温度测量模块。

其中所述输入处理电路包括两个8路PT1000驱动、两个模拟多路复用器和两个放大电路，所述模拟多路复用器选用ADG507A，所述放大电路的运放选用AD8608，所述每个8路PT1000驱动的输入端分别连接8个PT1000传感器，8路PT1000驱动的输出端连接模拟多路复用器的输入端，模拟多路复用器的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接MCU。

进一步，所述电源电路为开关型直流电源转换方式，允许供电电压范围为9～36V。

进一步，所述PT1000的测量温度范围为0～200℃，测量精度为±0.5%。

进一步，所述MCU选用飞思卡尔16位处理器9S12XET256。

进一步，所述印制电路板通过螺栓固定在壳体1内。

本实用新型在具体实施过程中，输入处理电路主要完成对16路PT1000传感器信号的驱动、选通、放大。MCU电路完成AD转换、温度计算、结果校正、通讯数据的封装与发送。通讯驱动电路与MCU配合完成总线通讯。电源电路为系统内各电路提供所需电源。

本实用新型中输入处理电路的原理示意如图3所示，包括驱动电路和放大电路两部分，通过使用2个8路模拟多路复用器可以在仅占用MCU的2路AD转换通道的情况下实现对16路输入的信号采集。8路模拟多路复用器选用ADG507A，该器件可以实现对8路差分信号的选通。

如图5所示，驱动电路为桥式测量驱动电路，桥式测量驱动电路采用R1、R2、R3、PT1000构成测量电桥，其中R1=R2，R3为1000Ω精密电阻，电桥输出的压差信号U（即U=V1-V2）可以反映PT1000与R3阻值之差的变化情况。由于R3与PT1000在0℃时的电阻相等，故实际上该桥式电路消除了PT1000电阻中的零度电阻（即0℃时对应PT1000的电阻值），直接测量传感器电阻的变化量。

在恒压驱动时零度电阻的存在会产生共模电压。该电压一方面抬高了AD转换的最大输入值，限制了AD转换的可用范围，导致AD转换的精确度降低；另一方面，可能在最终结果中引入固定电阻测量误差，导致系统误差增大。桥式测量驱动电路仅对电阻的相对变化量进行测量，消除了固定电阻带来的影响，减小了电路测量的误差。

按照PT1000温度测量模块的检测范围0～200℃计算，桥式测量驱动电路输出的电位差信号值在0到0.47V，而MCU的AD转换通道的基准电压被设计为5V，为了提高AD采样精度，输入MCU的模拟电压的最大值应尽量接近与AD基准电压，故在压差信号进入MCU进行AD转换前需要对其进行放大。

如图6所示，放大电路中运放U1与R1、R2、R3、R4实现差分放大，放大倍数9.4倍，放大后的压差值在0到4.4之间，接近AD基准电压5V。如果V1、V2直接与R1、R3相连，放大器的输入阻抗会影响输入压差导致测量结果不准确，故设计上增加两个电压跟随器U2、U3，作为高阻隔离，使输入压差不受放大级输入阻抗的影响。U1、U2、U3选用运放AD8608。

如图4所示，本实用新型中MCU是PT1000温度测量模块的核心器件，PT1000信号经过驱动和放大后进入MCU，MCU对其进行数据处理后才能得到正确的温度值。MCU选用飞思卡尔16位处理器9S12XET256，该芯片具有8通道12位精度的AD转换模块，2个SCI接口和3个CAN接口。MCU内部的数据处理包括物理模型还原、误差校正和封装发送。

物理模型还原是指从AD采样值到温度值的转换。它包括以下几步：

第一，MCU控制多路复用开关ADG507依次选通16路电位差信号，同时控制内部AD完成对它们的AD采样；

第二，计算PT1000相对电阻值；

第三，采用特性曲线折线近似法计算PT1000温度值。PT1000的特性曲线是非线性的，在已知PT1000传感器输出电阻的情况下要想计算对应温度，通常会使用如下公式进行计算。

式中，RT为PT1000电阻值，T为对应温度值。

开根号运算、除法运算和浮点运算都会消耗MCU大量内部资源和处理时间，考虑到PT1000温度测量模块要在一次处理周期中完成16路信号的检测，累计时间将相当可观，最恶劣的情况会严重影响温度测量模块的对外响应时间。因此采用特性曲线折线近似法，即以25℃为间隔将PT1000特性曲线在0℃～200℃范围内划分为8个区，把两个相邻温度间的特性曲线认为是线性的，由此可以确定每个区域的“电阻-温度”斜率，根据三角定理即可计算出对应温度值，通过仿真，选定25℃为分区间隔，以此间隔分区进行计算的结果与近似公式计算的误差在0.06℃以内。

由于电路元件的个体差异、外界环境温度等的影响，计算结果可能存在一定误差，因此需要对其进行校正，MCU采用查表和线性插值的方法对温度值进行校正。具体校正方法如下：首先在MCU中建立一个电阻值-温度修正值的对照表，具体如图7所示，然后根据Rpt所在区域用插值法确定温度修正值Tc，最后使用Tc对计算结果进行校正。

为了抑制周期性干扰对计算结果的干扰，提高测量结果的平滑度，对校正后的温度值进行递推平均滤波。具体方法为：把同一通道连续N个测量值看成一个队列的数据，队列的长度固定为N，每次得到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一个数据（先进先出原则），把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得所需滤波结果，该值将作为测量结果经通讯总线封装后发送。

在MCU进行计算的过程中选择以浮点数格式进行，这样可以避免使用定点数时对过程量的截取不当造成的计算结果精度的降低，同时，为了便于进行数据交互，在数据封装发送前，将其由浮点数转换为定点数，考虑到对测量结果精确到小数点后一位的要求，定点数将保留小数点后两位。

MCU内部仅集成了SCI和CAN控制器的功能，不能提供物理层驱动，所以在实际使用时还需要通过收发器驱动后与总线相连。这里分别选用CTM8251D带隔离的双路CAN收发器芯片和RSM485隔离收发器芯片作为物理层的驱动芯片，它们在实现收发器功能的基础上具有隔离、静电保护、抗电磁干扰和防浪涌的特性。

当通过RS485总线与外部系统进行信息交换时，PT1000温度测量模块遵循Modbus-RTU协议且工作在半双工模式下，传输速率为9600bps；当通过CAN总线与外部系统进行信息交换时，PT1000温度测量模块遵循自定义的具备冗余能力的CAN应用协议，传输速率为250Kbps。其网络节点地址可以通过拨码开关进行设置。

PT1000温度测量模块的供电电压为DC24V，内部元器件所需工作电压共两种分别是12V和5V。电源电路可以将输入的24V电压转换为元器件所需的工作电压。这里选用LM2576实现24V到12V的转换，选用LM2940实现12V到5V的转换。

开关型稳压器LM2576具有效率高、功耗小的特点，它具备8～30V的宽输入电压范围，提高了PT1000温度测量模块的适应能力。电路中使用了单向二极管、NTC电阻、共模电感、压敏电阻等保护元件，具有防反接，抗开机瞬间冲击电流、抗共模干扰和防浪涌的功能。线性稳压器LM2940的输出具有很好的平滑性，可以为驱动电路、放大电路、MCU工作电路等关系到测量结果准确性的重要电路，提供高品质的工作电源，从电源上保证测量结果的稳定，减少误差。

本实用新型未详述部分为现有技术。

为了公开本实用新型的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本实用新型旨在包括一切属于本构思和实用新型范围内的实施例的所有变化和改进。