基于CS5513 的RTD温度采集模块实现

基于CS5513 的RTD温度采集模块实现 

 谢梦   张博

         （南大傲拓科技江苏有限公司  江苏南京）        

摘要：本文设计了一种NA200PLC的RTD扩展模块，主要运用工业现场对温度传感器信号的采集和处理。本文分析了A/D芯片CS5513的原理，设计了RTD信号采集的硬件电路与软件实现流程。本模块利用CS5513这款20位高精度Δ-ΣADC进行多通道RTD信号的采集和处理。经过实践验证，该模块具有成本低、实用性强、精度高、可靠性高等优点。

关键词：RTD；Δ-Σ；总线；N200PLC；20位A/D转换器。

Abstract: A RTD expansion module of NAPLC is designed in this article, which is mainly used in temperature sensor signal acquisition and processing in the industrial field. This paper describes the principle of CS5513, hardware circuits, and the main software flowcharts.The module uses the Δ-Σ ADC CS5513 of 24 bit high precision to collect and process the RTD signal in multi-channel. After practice verification, this module has some advantages, such as low-cost, high practicability,high precision high reliability and so on.

Key words: RTD；Δ-Σ；Bus；N200PLC；20 bit A/D converter。

1 引言

工业控制行业中需要对现场模拟信号进行采集和处理，一般用于工业控制中的基本模拟信号采集（AI）模块有三类：电压或电流型模拟量信号输入模块、热电阻（RTD）输入模块、热电偶（TC）输入模块。其中热电阻是工业控制现场用来测量中低温度区最常用的一种温度检测传感器。它的主要特点是有较高的测量精度和稳定的工作性能。

本文主要设计了一款基于Δ-Σ 型ADC芯片CS5513的四通道RTD信号采集模块，该模块是作为南大傲拓公司研制的小型PLC NA200CPU的扩展模块，主要是将经过信号调理的四路RTD信号通过ADC芯片CS5513转换成数字量，并通过隔离的总线上送给NA200CPU模块。

2 总体设计

图1为NA200PLC的RTD扩展模块NA200AIM201-0403的总体设计框图，该模块由输入信号检测电路、通道选通电路、恒流源电路、信号调理电路、转换电路、通讯电路、电源转换电路、CPU电路等组成。模块通过接线端子引入四路现场RTD信号，当检测到某通道有RTD信号输入时选通相应通道，利用自制高精度恒流源电路产生一个高精度的恒定电流，采集通道RTD电阻上的电压，通过信号调理电路对信号进行放大、滤波，经过CS5513进行模数转换后通过隔离的串行总线送入CPU单元，CPU电路负责将采集的RTD数据通过NA200的高速内部总线上传至NA200CPU模块，从而完成RTD信号的采集。

图1 总体设计框图

3  A/D芯片选用和原理

3.1   A/D芯片选用

对于模拟量输入采集模块，AD转换芯片的选用是关键，鉴于现在小型PLC市场竞争日益激烈的现状，不仅要满足精度要求、功耗、可靠性等基本因素，还要考虑多通道集成及低成本设计等环节，为客户带来高性价比的产品。本次设计采用的AD芯片CS5513是Cirrus Logic公司生产的20位串行输出Δ-Σ 模数转换芯片，它最大的优点就是具有20位采样精度且成本较低，其8脚SOIC封装形式可以最大限度的节省设计空间；同时片上自带振荡器，无需外加时钟源，使AD外部电路设计更加的简单。该产品包含一个4阶的Δ-Σ 调制器和一个滤波器，可有效地抑制线性噪声。可以使用5V的电源进行供电，也可以使用其他多种双电源的配置，是将工业控制中的双极性信号数字化的理想选择。

3.2  CS5513的工作原理

如图2所示，CS5513芯片内部自带片上的振荡器频率为64KHz，上电后振荡器和时钟门就开始工作，同时CS5513也开始循环进行模数转换工作更新输出寄存器。CS5513内部有一个数字滤波器可以提供最高为107Hz的转换速率，该数字滤波器对连续4个转换周期的转换值进行取平均值后输出，所以在使用该芯片时应注意以下两点：第一是在初次上电之后或者从休眠状态返回之后，该滤波器需要4个转换周期才能得到第一个有效的转换值；第二是在对多路模拟信号进行转换时，在进行通道切换后，必须经过4个转换周期才能得到有效的转换值。所以在上电或者是切换后执行采样程序时要对前四次的采样值要进行滤波。

图2  CS5513的内部结构框图

图3为CS5513基本时序图，当输出寄存器有新的数据，而此时芯片CS管脚处于低电平时，SDO管脚将变为低电平，表明这时候有新的转换数据，将转换数据放入输出寄存器中。要读出所有的转换数据需要发送24个CLK脉冲，在CLK脉冲的上升沿，从SDO管脚读出数据，在CLK脉冲的下降沿，将输出寄存器中的数据输出到SDO管脚，而当整个转换数据被读完SDO管脚又呈现高阻态。

如果在读取状态中新的转换数据又完成了，那么新转换的数据将丢失，输出寄存器不会被新的转换数据更新。当SDO管脚下降为低电平后，如果用户不读取转换的数据，那么在下一个转换数据有效之前，SDO管脚将保持17个振荡时钟周期的高电平，然后再下降为低电平，表示新的一次转换完成。

图3   CS5513基本时序图

3.3  A/D转换电路设计

   RTD扩展模块的A/D转换电路设计如图4所示，外部通道热电阻信号输入采用三线制（可有效的克服线电阻带来的测量误差），通过信号检测电路来选通要测量的通道，同时采集热电阻上的电压信号，经过信号调理电路产生VIN信号。VIN再经过一级低通RC滤波输入给A/D转换芯片的AIN+端，A/D芯片信号输入方式采用单端输入（使电路设计更加简单），所以将AIN-连接模拟量地电平。A/D芯片的基准电压VREF由ADI公司的5V基准源芯片组成的电路提供，如图4中的U20所示。同时，为了提高模块的测量精度，减少数字脉冲、噪声对模拟信号的干扰，特对CPU电路和A/D转换电路之间的串行通讯接口进行了电气隔离设计，CPU传输的指令、数据信号并不直接与AD相连而是通过高速光耦进行隔离连接。

图4   A/D转换电路

4  CPU软件设计

RTD模块的软件部分采用的编程调试软件是Keil，Keil是目前最流行的开发MCS-51系列单片机和ARM系列MCU的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理及一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发环境。使用Keil C开发程序具有效率高，可读性好等优点。

4.1  主程序设计

   如图5所示，程序首先上电对CPU、高速内部总线和温度测量电路相关变量寄存器进行进行初始化，读取用户配置的模块类型，通过报警灯来指示模快连接是否正确、运行是否正常；然后根据高速内部总线接收的数据是否结束来进行两个分支程序的运行。

   分支1：如果总线数据未接收完成，则组织本模块的信文，执行AI数据采集程序，当程序执行过程中，如果总线数据接收完成则执行分支2程序。

分支2：如果总线数据接收完成，则对总线数据进行校验，查看数据传输是否正确；然后对传输的数据进行处理，包括下载测点信息、热电阻类型加载等；数据处理完成对接收区进行清空操作；完成以后回到分支1，组织本模块的信文，然后执行AI数据采集和处理程序，最后再次组织本模块的信文。如此反复的执行程序循环。

   图5   主程序流程图

4.2  AI数据采集及处理程序设计

   本次模块设计的AI数据的采集及处理程序主要是按照以下的流程来实现：选通要采集的通道、然后通过RTD在线监测电路告知CPU是否测量该通道；如果RTD在线，则执行AD数据采样子程序，采样完成要求的采集次数（SampleNO)后，通过计算采样值子程序来获得相应的温度值，其中为了获得准确的温度值，在计算采集值程序中利用定制的高精度电阻来对采集的数据进行校准，然后将校准后的电阻值通过去线电阻处理和查表计算转换为温度值；并针对RTD为慢变量这一特点进行复杂的数字滤波，对采集的温度值进行去抖滤波处理消除工业现场的各种干扰，最后才得到真实的RTD温度值，并上送给CPU模块。

 图6   AI数据采集及处理程序流程图

5  RTD温度采集模块在NA200PLC中的应用

本文实现的是南大傲拓公司小型NA200PLC 的RTD扩展模块，该扩展模块提供了4路RTD输入通道，主要应用于对精度要求较高的工业现场温度采集，在实际应用中与南大傲拓的NA200CPU模块配套使用，以下介绍了利用NA200CPU以及标准电阻对本模块进行精度测试如下图7所示，热电阻采用三线制输入方式（采用三线制连接的主要目的是去除线电阻对所测温度值的影响，较两线制精确，较四线制经济）。

图7  NA200CPU与温度采集模块实物连接图

通过南大傲拓自主设计的NA200Pro编程软件可以设置Pt100、Cu50和Cu53等多种RTD类型，测量范围可以达到-200℃~650℃，如图8所示设置热电阻的信号输入类型为PT100，即输入100Ω电阻时，对应的理论温度值为0℃，通过下表查看输入电阻为100Ω时对应的实际温度值为-0.1℃（测点表1个码值对应0.1℃），测量精度达1‰，完全满足设计要求。该模块已成功应用于大型水冷空调机组、印染机械、恒温室控制和小型供热机组控制等多项工程。

图8  NA200Pro软件测点信息表

6  总结

   本文介绍了一种基于CS5513 A/D芯片的多通道温度采集模块，总体介绍了模块的设计思想，同时详细介绍了CS5513芯片的结构工作原理和A/D转换相关硬件电路，重点给出了模块的软件设计方法和该模块在NA200PLC系统中的应用。经多项工程验证此RTD测量模块运行可靠、工作稳定、采集数据精度较高，是小型控制系统中RTD采集的有效解决方案。

参考文献

[1] CRYSTAL. CS5510/11/12/13. Cirrus Logic，Inc. 2000.

[2] David Johns, Ken Martin. Analog Integrated Circuit Design. John Wiley & Sons (Asia) Pte. Ltd，1996.

[3]刘勇, 张龙, 吴晓松. 20位串行模/数转换芯片CS5513及其应用[B].新特器件应用,2002(2).

[4]蒋忠良, 陈秀云. 温度的测量与控制[M].北京：清华大学出版社,2005.

[5]南大傲拓科技江苏有限公司. NA200Pro编程软件使用手册V4.0,2011.

[6]南大傲拓科技江苏有限公司. NA200可编程控制器（PLC）硬件手册V1.6,2011.