基于ModBus協議的紅外測溫變送器設計

楊進寶

(湖南師范大學工學院，中國 長沙 410081)

溫度是工業生產中很重要的一個熱工參數，它直接影響到產品的質量和性能．紅外溫度測量是以紅外傳感器為核心，通過熱輻射原理來測量溫度的，是一種非接觸式溫度測量方式，特別適用于高溫和危險場合的非接觸測溫；與接觸式溫度測量相比，不會干擾測量對象的溫度場，響應速度快、精度高，測量范圍廣，近年來在工業、航空、軍事、醫療等方面的應用越來越廣泛[1-3]．

本文以MSP430F149為平臺，采用熱電堆紅外測溫傳感器A2TPMI為測溫元件，其內部集成了光學透鏡、信號處理和環境溫度補償電路，結合ModBus通信協議，設計一款基于RS485總線，能實現遠距離多點測溫的在線式紅外測溫變送器．該紅外測溫變送器適用于電力溫度檢測、設備故障診斷、工業生產等需要多點分布式非接觸式測溫的應用領域．

1 紅外測溫工作原理

紅外測溫是輻射式測溫的一種，利用物體的熱輻射現象來測量物體溫度．在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都會輻射紅外線，描述黑體輻射光譜分布的普朗克公式和黑體全輻射度與溫度關系的斯蒂芬-玻耳茲曼定律是輻射測溫法的基本理論依據[4]，其關系式為

E=εσT4，

(1)

式中，E為物體的輻射功率；T為被測物體的絕對溫度；ε為被測物體的發射率，不同物體的發射率不同，可通過查表或實驗得到；σ為斯蒂芬-玻耳茲曼常數．

紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號大器及信號處理、顯示輸出等部分組成．光學系統匯聚其視場內目標物體的紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器表面轉變為相應的電信號，該信號再經放大、采樣、換算得到被測目標的溫度值．

2 紅外測溫變送器設計與實現

本紅外測溫變送器由A2TPMI熱電堆紅外探測器、低通濾波器、MSP430單片機和RS485接口等部分組成， 如圖1 所示．被測目標的紅外輻射能量經硅透鏡聚焦到熱電堆上，紅外能量經光電轉換器轉變為相應的電信號，該電信號經內置電路放大和補償后輸出幅度滿足A/D采樣的電壓信號，經低通濾波器濾波后送到單片機的A/D輸入端，MSP430單片機內置A/D轉換器對信號進行采樣，經計算和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值，通過ModBus總線上傳至上位機．

圖1 紅外測溫變送器結構圖

2.1 A2TPMI工作原理及其應用

A2TPMI 是美國PerkinElmer(珀金埃爾默)公司生產的一款內部集成了專用信號處理電路以及環境溫度補償電路的多用途紅外熱電堆傳感器，這種集成紅外傳感器模塊將目標的熱輻射轉換成模擬電壓．該傳感器自帶距離系數D∶S=8∶1，5度視角，5.5 mm的硅透鏡光學系統，通過該透鏡接收空氣中的紅外輻射，然后轉換成相應的電壓信號．為了放大高靈敏熱電堆微伏到毫伏級的信號，內置了一個8 bit分辨率的可編程低噪聲放大器，放大器的增益、偏置電壓由工廠通過I2C接口進行了校準，經放大的輸出電壓信號能滿足A/D轉換器的幅值要求[2]．

A2TPMI的目標溫度范圍-20～+300 ℃，根據熱電堆溫度測量原理, 當目標溫度低于環境溫度時輸出為負，高于環境溫度時輸出為正．為了使負電壓信號能在單電源系統處理，所有的內部信號都連接到1.255 V內部電壓參考(Vref) , 作為虛擬模擬地信號．為了熱電堆放大電路偏置電壓的調整, 放大器上帶了一個能產生有8 bit 分辨率偏置電壓的可編程調整部分．此外，A2TPMI內部還集成有溫度傳感器來探測環境溫度, 這個信號用以匹配熱電堆放大信號曲線的反向特性，為了溫度補償，放大的熱電堆信號和溫度參考信號相加于一個放大器．經過溫度補償放大后的目標溫度信號經Vtobj腳輸出, 環境溫度參考信號或1.255 V參考電壓經Vtamb腳輸出．A2TPMI 的校準數據由I2C接口永久地保存于E2PROM 內．

由于該集成紅外傳感器模塊將光學系統、熱電堆、可編程放大器和環境溫度補償電路封裝在一個TO-39封裝的金屬殼體內，不受PCB漏電流、污染、潮濕以及電磁干擾等環境因素影響，這樣，就使設計者免除復雜的光學系統，低溫漂放大器以及參數不易整定的環境溫度補償電路的設計、調校，用它來設計紅外測溫變送器產品，精度高、互換性好，參數標定易于實現．

2.2 微控制器選型及數據采集設計

本紅外測溫變送器封裝在一個直徑為20 mm的不銹鋼殼體，對電路板尺寸、低功耗、電路成本、抗干擾性能都有嚴格要求，采用的微控制器應具有UART、12 bit以上A/D轉換接口，低功耗等特性的SOC(片上系統)．經多方權衡，MSP430F149符合設計要求．

2.2.1 微控制器選型 MSP430F149是美國TI公司推出的一款16位超低功耗、高性價比的工業級混合信號單片機，具有豐富的內部硬件資源．該芯片內部集成8通道12位高精度A/D 轉換器，可達到300 K以上的采樣速率，使模擬信號的高精度采樣得到了充分的保證[5]．該芯片內部設有2路的UART串行接口，可以很方便地獲得2路RS485或者其他的串行接口，滿足基于RS485的ModBus協議通信需求．它采用1.8～3.6 V的供電電壓，其超低功耗(典型工作電流為250 μA)，使多點分布式溫度采集系統的總線供電電流得以下降，同時，使變送器的溫升得到嚴格控制．

圖2 有源濾波電路圖

2.2.2 數據采集設計 A2TPMI 放大器采用斬波放大器技術, 由于這種技術本身具有的特性, 輸出信號Vtobj和Vtamb中包含了大約10 mV峰值、250 kHz 的交流信號．這些交流信號可用低通濾波電路或軟件濾波抑制掉．如圖2所示，采用LMV358 軌對軌(rail to rail )運算放大器與R、C構成有源低通濾波器，可有效濾除紋波，同時起到信號緩沖作用．

濾除紋波后的目標溫度電壓信號Vtobj和環境溫度電壓信號Vtamb分別送到MSP430F149的兩個模擬采樣通道進行采樣．設計溫度范圍為-20～+300 ℃，12 bit的A/D可獲得0.078 ℃的溫度分辨率，可保證0.1 ℃的設計要求．為減小采樣隨機誤差，每次溫度測量采樣10次數據經動態平滑濾波后供后續溫度計算用．

2.3 變送器通信接口

變送器通信接口采用RS485總線實現遠距離數據通信，MSP430F149內置有UART接口，只需外接RS485接口芯片即可．MAX1487采用+5 V電源供電，傳輸速率達到2.5 Mbps．它適用于半雙工通信，通信傳輸線上最多可掛128個收發器，符合多點集控溫度采集通信要求．

2.4 溫度非線性校正及發射率整定

由(1)式可知，熱電堆感應紅外能量與目標溫度呈4次冪函數關系，同時，由于不同物質的發射率ε取值范圍很大，要獲得準確的目標溫度值須進行曲線擬合和發射率整定．

2.4.1 紅外測溫非線性校正 經查A2TPMI數據手冊和實際測量，熱電堆模塊在不同溫度段輸出信號Vtobj、靈敏度與溫度之間的關系如表1所示，傳感器輸出電壓與目標溫度之間是非線性的，不易由采樣到的輸出電壓值計算出目標溫度值．在本設計中，進行了大量實驗，測試得到19組樣本數據，通過對實驗數據的分析，采用最小二乘法曲線擬合可獲得理想的效果[6]．

設擬合函數多項式為

y=a6x6+a5x5+a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0.

(2)

利用最小二乘法求解擬合函數系數a6、a5、a4、a3、a2、a1和a0，即

(3)

通過求解如下正規方程組(4)，即可獲得系數a6、a5、a4、a3、a2、a1和a0，

(4)

式中，S(a0,a1,…,a6)為誤差函數；yk為目標溫度．

由于解式(4)的運算量很大，可以借助MATLAB等數學工具[7-8]，通過編寫相關函數來求解系數a6、a5、a4、a3、a2、a1和a0，并進行曲線擬合效果的仿真．用MATLAB作多項式擬合時，根據如上介紹的最小二乘法則，提供了polyfit函數來實現多項式的擬合，其調用格式為

ANS=polyfit(x,y,n)，

(5)

式中，x、y為原始樣本點構成的向量；n為選定的多項式階次；所得到的ANS為按降冪排列的多項式系數．

為保證擬合曲線的曲率連續性，需要采用3次及更高次多項式擬合，為確保擬合精度，選取6次多項式進行擬合，即多項式階次n=6．用MATLAB的polyfit函數工具計算得到6次多項式的各項系數：

ANS= -2.800 85；51.446 27；-384.759 54；1 502.167 87；-3 249.921 34；3 801.578 41；

-1 784.555 58,

將6個系數代入多項式函數式(2)中，得

y=-2.800 85x6+51.446 27x5-384.759 54x4+1 502.167 87x3-3 249.921 34x2+3 801.578 41x-

1 784.555 58.

(6)

式(6)中，y代表被測目標溫度值，單位：℃；x代表熱電堆模塊輸出電壓值，單位：V．圖3為輸出電壓與目標溫度曲線圖，擬合曲線與19個標本數據有較好的匹配效果，符合計算精度要求．

表1 Vtobj、靈敏度與溫度之間的關系數據表

圖3 輸出電壓與目標溫度曲線圖

2.4.2 發射率整定 由于不同材料或相同材料的不同表面狀況對紅外線的發射率影響很大，發射率取值在0.01～1.0之間，對測溫精度影響很大．在使用紅外測溫變送器測量物體表面溫度時，應對目標物體的發射率進行整定，該參數由上位機軟件設定，通過通信接口固化到變送器的E2PROM存儲器，參與目標溫度計算．在實際應用中，目標物體的發射率不易確定，可通過直接測溫與紅外測溫誤差值計算得出．

2.5 ModBus通信協議

2.5.1 ModBus通信協議簡介 ModBus 協議是由Modicon 公司于1979年開發的在工業領域廣泛使用的標準協議，支持一臺主機和多達247臺從機間的通信，支持RS232 、RS422 和RS485等通信接口．ModBus 協議分為ASCII 模式和RTU 模式，ASCII 模式的數據包要求有開始標記和結束標記，并要求傳輸的數據都是ASCII格式，RTU 模式以16進制數據格式進行傳輸，數據通信效率較高，不需要開始標記和結束標記，以消息傳輸時的3.5 個字符以上的時間間隔作為一個數據包的開始和結束．

一個典型的ModBus RTU 數據包格式包括同步字、地址、命令字、數據、CRC校驗，對設備地址、命令字和數據采用CRC16 校驗，由數據包的發送者計算出16 位CRC 校驗碼，放入數據包的后面，接收者重新計算接收到數據的CRC，并和收到的CRC 相比較，如果2個CRC 值不匹配，則表明數據傳輸有誤，接收者返回錯誤消息要求重發．校驗碼采用生成多項式為X16+X15+X2+1的16位循環冗余糾錯碼[9-10]．

2.5.2 變送器通信協議 變送器以數值型信息傳送為主，選用ModBus RTU模式．數據幀格式由11個bit位組成，1個起始位(0)，8個數據位(D0～D7)，1個奇偶校驗位．一個完整的數據包由4字節數據頭、1字節地址碼、1字節控制碼、1字節數據長度、n個字節的數據域(0≤n≤32)和2字節CRC校驗碼構成．詳細信息如表2所示．

表2 ModBus RTU數據包格式

包頭：F5F5F5F5H，4字節F5H標識數據包的開始，

地址碼：0=廣播地址，01～247=從設備地址，

控制碼：0=正?；貞?，1=異?；貞?，2=由主站發出的命令幀，3=由從站發出的應答幀，4=讀數據(讀目標溫度、環境溫度、地址、波特率、發射率)，5=寫數據(寫地址、通信速率、輻射率)，

數據長度：標識數據域字節數，

數據域：0至32字節數據(目標溫度、環境溫度、地址、波特率、輻射率等信息)，

校驗碼：2字節CRC16 校驗碼.

3 測試結果與分析

測試條件：口徑10 cm、精度±0.1 ℃、發射率0.98黑體爐，黑體爐與變送器正對距離50 cm，環境溫度20 ℃．表3為測試條件下的測試溫度及誤差．

表3 參數測試結果

表3實測數據表明紅外測溫變送器測溫絕對誤差在±0.5 ℃以內，其誤差主要由A/D轉換分辨率(12 bit)不夠高、曲線擬合誤差、空氣衰減等因素造成．在批量生產中，由于器件參數的離散性，誤差可能會更大，保證±1 ℃的測溫精度是可以實現的．

4 結論

采用A2TPMI熱電堆模塊設計了一款測溫范圍-20～+300 ℃，測溫精度±0.5 ℃，符合ModBus通信協議的紅外測溫變送器．經過實際使用，研制開發的紅外測溫變送器具有性能可靠、測量精確度高等特點，適用于遠距離分布式多點間接測溫系統．可廣泛應用于電力系統、工業生產等領域．

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