高温疲劳设备上的温度采集系统的设计与应用

1. 系统概述

在工业系统中，检测、控制的对象有很大部分是温度、压力、流量等模拟量。因此，这些参数检测的准确与否，直接关系到整个系统的准确性和精度。现在虽然有许多通用检测仪表，但我们总觉得有些欠缺，如：有些数据处理能力不够，有些是在检测多种物理量时，不够灵活、有些是与实际结合不紧，等等。基于上述情况我们为涡轮叶片高温疲劳设备专门设计了一套温度采集控制系统。

涡轮叶片高温疲劳试验设备，主要是通过模拟飞机发动机涡轮叶片在高温条件下由低载—>保持—>高载—>保持—>低载，这个过程来检测涡轮叶片使用寿命。由于温度不同，叶片的寿命差距非常大，所以温度的检测和控制就显得尤为重要。温度检测我们主要采用两种方法，一是非接触式的红外热像仪，二是接触式的K型热电偶；温度的控制主要是通过控制高频炉产生高频信号使涡轮叶片达到其设定的温度。

2. 系统的硬件设计及主要功能

系统的硬件结构如图1所示，以8031单片机为控制器，扩展相应的数据和程序存储器、键盘和显示，此外还包括：A/D转换器（详见第4小节）和D/A转换器，温度传感器，串行通讯Max232（或者Max485），以及数据放大器和功率放大器。

图1.系统的硬件结构图

系统的主要功能是通过数据放大器把温度传感器采集的信号放大后送到带采样保持器的8路数据采集器Max180中，微处理器8031把Max180采集来的多路信号保存到指定的内部寄存器中，然后根据PID算法计算出电压增量du，再与设定温度的标准电压以及修正值求和之后由四通道D/A器件Max527输出，经过功率放大后驱动高频炉，使之产生高频信号，通过高频感应给叶片加温。同时系统还可以把采集到的信号，以及自己处理过的信号发送给PC机保存，自己也可以保存。同时系统也可以把控制权交给PC机，自己仅仅作为一个下位机，就起一个数据采集板的功能，只负责把采集来的信号发送给PC机，PC机把处理好的信号传送给系统让它输出一个电压信号去驱动高频炉。

3. 系统的软件设计

控制系统完成的功能是对现场数据进行采集处理，将其转换成数字量，按照一定的控制算法对所得的数字量进行处理，产生相应的的控制，然后将控制量转化成电压信号驱动高频炉，给试件加温，使其保持在设定的温度范围之内。

整个系统的软件部分包括主程序和键盘中断程序两部分。主程序主要是循环执行数据采集、PID控制、D/A转换；键盘中断主要执行温度的设定以及向PC机输出重要数据，流程图见图2（A）和图2（B）。

(A)主程序 (B)中断程序

图2. 程序流程图

4. 温度采集系统的设计

在整个系统中，温度采集是非常重要的一个环节，它直接影响到整个系统的精度和正常运行。温度采集系统的核心部件是Maxim公司生产的带采样保持器（T/H）的8通道12位A/D芯片Max180。以下将详细介绍它的特点、内部结构、工作方式、典型应用和选用它的原因。

概述

MAX180是Maxim公司生产的一种8通道12位逐次逼近型快速的数据采集系统（DAS）。它用连续的近似值和采样保持（T/H）电路，把模拟信号转换成一系列的12位数字输出代码。与8位或者16位微处理（μP）的控制逻辑接口也很简单。对大部分应用系统而言，只需要加一些少量的器件即可，而且T/H还不需要额外的电容。MAX180与微处理器可配置为单极性或双极性转换和单端（single-ended）输入或差分（differential）输入。

内部结构

图3所示是MAX180/181的内部结构框图，其核心是采用逐次逼近方式的数据模拟变换器。此外还包括8路输入通道，高带宽的采集保持器（T/H），-5V低漂移的齐纳内部参考电源，控制逻辑以及带锁存器的三态门数据输出口。

8路输入通道的选择是通过MAX180的第 37、38、39引脚A0、A1、A2地址译码产生的，真值表见表1。

图3. 内部结构图

基本原理及工作方式

MAX180的核心是逐次逼近式A/D转换器，其转换原理为：将一待转换的模拟输入信号与一个推测信号相比较，根据推测信号大于还是小于来决定增大还是减小该推测信号，以便向模拟输入信号逼近。

表1. MAX180的地址与被选择通道的真值表

MAX180的第14引脚为MODE，它是接口模式的选择端，MODE可以为1，0和悬空，从而决定了MAX180的工作方式主要分为三种。结合本系统，主要介绍一下I/O端口模式（MODE=1），其余的缓慢内存模式或ROM模式（MODE=0）和异步保持模式（MODE＝OPEN）请参见Maxim公司的MAX180/MAX181 Data Sheet。

当MODE＝1时，MAX180工作在I/O端口模式。在这种模式下，数据输入和输出通常是连在一起的，μP使用write指令写配置数据到DAS的内部寄存器中。随着 端由高到低变化，转化就启动了。多路通道把输入通道连接到T/H上，它在前3个时钟周期内获得采集来的信号。在第三个时钟的下降沿时，T/H处于保持模式，并且启动A/D转换。在变高后的15个时钟周期后，变高，转换结果锁存到三态输出缓冲器上。然后μP通过读指令获取转换结果。对16位数据总线操作，HBEN＝0，12位结果被直接读取。对8位数据总线操作，在转换过程中HBEN＝0，则读指令返回的是低8位的数据。第二次读指令在HBEN＝1时，返回的是位于低字节的高4位数据。注：在任何模式下，HBEN＝1使转换不能启动。

DAS内部寄存器是5位：3位是模拟通道地址，1位是单端/差分多路通道操作，1位是单极性/双极性A/D操作（见表2）。

表2. write指令的格式

典型应用

图4是MAX180应用于8路的温度采集的典型电路图。微处理器采用的是8位微处理器8031，AIN0～AIN7是外接的八路模拟信号。由于微处理器是8位的，所以通过一个I/O口（P1.1）来控制高低位地址（HBEN）。此外用P1.0口来获取芯片的状态（）， P1.2口来选择工作模式。本系统主要是工作在输入输出端口模式（MODE=1）下，但是为了使系统便于以后其它的用途，还是用了一个I/O口（P1.2）来连接，而没有把它直接接到＋5V电源上。此系统是按查询方式设计的，所以8031通过不断的扫描P1.0口的状态来判断A/D转换的进程。系统的时序图见图5。

由于此系统是按照查询方式设计的，所以采集程序也用按查询方式设计。

… …

SETB P1.2 ;MODE=1

… …

MOV DPTR, #8000H;送端口地址

MOV A, DATA; ;取控制字

MOVX @DPTR, A

LOOP: JNB P1.0, LOOP ;判断转换结束

CLR P1.1 ;HBEN=0

MOVX A, @DPTR ;读取低8位

MOV LBIT,A ;存低8位

SETB P1.1 ;HBEN=1

MOVX A, @DPTR ;读取高4位

ANL A,#0FH ;屏蔽高位

MOV HBIT,A ;存高4位

… …

DATA存放的是写到端口的控制信息，共有5位有效，每位的具体含义见表2。

图4 典型电路图

小结

由于此前在选择芯片和设计电路时，主要是想通过单通道A/D片实现多路采样。这样整个系统就还需要多路选择开关，采样保持器，可编程放大器等外围器件，不管从电路的复杂程度考虑还是从系统的可靠性和稳定性来衡量，这都是一个不明智的选择。后来经过广泛的查找和筛选，我们选择了MAX180，它的分辨率、采样频率等参数都满足要求，还集成了采集保持器，外接电路和软件编程也都很简单。

5. 结束语

本文根据实际情况，为飞机发动机涡轮叶片高温疲劳试验设备设计的一套温度采集和温度控制系统。该系统结构比较简单，实现容易，编程和再开发都很方便；同时采用多通道带采样保持器Max180，大大简化了电路，提高了系统的可靠性和稳定性；既可用PC机控制也可用单片机来控制，提高了系统的灵活性和通用性；温度控制采用PID控制，效果也很好。

图5. 系统的时序图（MODE＝1，两字节读）