一种软件可配置通用铂电阻和热电偶的多通道测量电路的制作方法

本发明属于多通道温度测量，具体涉及一种软件可配置通用铂电阻和热电偶的多通道测量电路。

背景技术：

1、在目前的液体发动机、平流层环控舱、高精测量装置等装备系统中，均存在对多通道温度测量需求，其温度传感器一般为热电偶和铂电阻，将温度转换为微弱的电信号，再由各类弹上计算机进行采集和转换，但对于不同的设备和应用，会选择不同规格的铂电阻和热电偶，其灵敏度和信号输出范围不尽相同，传统的电路设计需要针对温度传感器的规格，设定不同的激励方式和电压增益，缺乏通用性，无法满足新一代航空航天设备对标准化、智能化的要求。

2、针对温度传感器测量，主流设计方案是通过模拟开关、仪表放大器和恒流源或平衡电桥构建温度传感器测量前端，并通过高分辨率adc转换器完成测量，如下表1所示，列举了目前三类主流温度传感器测量方案的对比情况。

3、表 1

4、

5、上述表格中的测量方案中均没有考虑热电偶和铂电阻在测量方式的多样化。热电偶输出的是一个浮地小电压信号，其幅值一般不超过40mv，需要施加电压偏置，并提供较高的信号差模增益，才能保证测量的精确性；而铂电阻是自身电阻值随温度变化，测量温度时需要通过恒定电流激励，电流流过铂电阻时产生电压，该电压幅值一般较高，不需要太高的电压增益，测量电压即可推算出电阻值，进而换算为温度。同时，铂电阻一般有pt100、pt800和pt1000三种类型，其灵敏度最高相差10倍，热电偶常用规格有k型、e型、j型等，其灵敏度和电压输出范围也均不相同，具体的设计方案需根据用户对精度和成本的要求综合确定。

6、温度传感器的多样性导致目前市场没有通用的解决方案，现有的温度测量类产品只有单一的铂电阻温度测试仪或热电偶温度测试仪，没有全传感器的解决方案。

技术实现思路

1、本发明提供一种软件可配置通用铂电阻和热电偶的多通道测量电路，以解决现有技术中存在的现有温度传感器测量方案集成度低、标准化程度低以及缺乏通用性的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种软件可配置通用铂电阻和热电偶的多通道测量电路，包括激励输出单元、信号输入单元和信息处理单元，激励输出单元中包括电压参考vref缓冲输出电路和电流参考iref产生电路，信号输入单元中设置有偏置选择电路和信号转换模块；

4、电压参考vref缓冲输出电路，用于为热电偶通道提供热电偶偏置电压信号；

5、电流参考iref产生电路，用于为铂电阻通道提供激励电流信号；

6、偏置选择电路，用于根据gpio控制信号选择接入电压参考vref缓冲输出电路或电流参考iref产生电路，基于电压参考vref缓冲输出电路输出的热电偶偏置电压信号或电流参考iref产生电路输出的激励电流信号输出，保证热电偶或铂电阻两端的差分电压信号满足信号转换模块的要求；

7、信号转换模块，用于对测量通道产生的电压信号成倍放大并转换为数字信号；

8、信息处理单元，用于输出gpio控制信号，并对转换后的数字信号进行处理后输出温度测量数据。

9、激励输出单元还包括有精密电压产生电路，精密电压产生电路由电压参考芯片与滤波电容c1和滤波电容c2共同组成，滤波电容c1和滤波电容c2并联，滤波电容c1、电压参考芯片与滤波电容c2串联，精密电压产生电路的一端并联有电压参考vref和电流参考iref，精密电压产生电路的的另一端与电源vcc并联后接地。

10、电压参考vref缓冲输出电路，电压参考vref缓冲输出电路由运算放大器amp2、电阻r3、r4和电容c4、c5组成，电压参考vref缓冲输出电路的输出端连接电压参考vref；电阻r3一端连接电压参考芯片的输出端，电阻r3的另一端连接运算放大器amp2的输入端正极，电容c4与电阻连接运算放大器amp2的一端连接后接地，电阻r4与运算放大器amp2的输出端连接，电容c5一端与运算放大器amp2的输入端负极连接，电容c5的另一端接入运算放大器amp2的输出端电路，并与电阻r4串联。

11、电压参考vref缓冲输出电路中，电阻r3和电容c4构成了低通滤波器，低通滤波器用于滤除精密电压产生电路的输出噪声。

12、精密电流参考iref产生电路由运算放大器amp1、电阻r1、电阻r2、电容c3和多通道开关复用器mux1组成，运算放大器amp1的输入端负极连接电流参考iref，电阻r2一端连接运算放大器amp1的输出端，另一端连接多路开关复用器mux2；电容c3一端连接运算放大器amp1的输入端负极，电容c3的另一端接入运算放大器amp1的输出端电路，并与电阻r2串联后连接多路开关复用器mux1，电阻r1一端连接运算放大器amp1的输入端负极，电阻r1的另一端接地。

13、信号输入单元还包括有浪涌保护电路，浪涌保护电路与偏置选择电路的输入端连接，浪涌保护电路由二极管z1、二极管z2、二极管z3和二极管z4组成，用于确保电压参考vref缓冲输出电路输出的热电偶偏置电压信号或电流参考iref产生电路输出的激励电流信号经外部传感器长线传输过程耦合的干扰电压不超过后续电路的工作区间。

14、偏置选择电路设置为模拟开关s1，偏置选择电路的输出端连接有滤波电路，滤波电路通过串联的差模滤波电容c1和共模滤波电容c2和c3与并联的电阻r1和电阻r2组成。

15、信号输入单元还包括有有多路开关复用器mux2，多路开关复用器mux2为差分形式，用于将不同测量通道的热电偶或铂电阻两端的差分电压信号输出至信号转换模块。

16、信号转换模块，包括可编程增益放大器pga，可编程增益放大器pga的输入端与多路开关复用器mux2的输出端连接，可编程增益放大器pga的输出端连接ad转换器，可编程增益放大器pga根据当前通道的被测温度传感器类型对电压信号进行不同电压增益的放大，ad转换器用于将放大后的电压信号转换为数字信号。

17、信息处理单元由降压稳压电源buck和微控制器mcu组成，buck为信息处理单元提供电源，微控制器mcu根据不同测量通道的配置信息输出gpio控制信号给激励输出单元和信号输出单元。

18、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、本发明公开的一种软件可配置通用铂电阻和热电偶的多通道测量电路，一体化集成设计大幅提高了测量电路的集成度，将多个功能单元和众多组件集成在一个电路中，减少了电路板面积和元器件数量，使整个电路更加紧凑。相比传统分散式设计，不仅节省了空间，而且降低了因元器件间连接复杂而可能产生的信号干扰等问题，提高了电路的稳定性和可靠性。各单元和组件的工作流程及接口均按照标准化设计，无论是对不同规格的铂电阻还是各种类型的热电偶，都能提供统一的测量流程和接口标准。这提高了测量电路的标准化程度，增强了系统的兼容性和可扩展性，使得该测量电路能够方便地与其他设备进行集成和对接，提高本发明测温电路的使用范围。能够通过软件灵活配置不同通道的激励方式、偏置方式和电压增益系数，以适应不同类型和规格的铂电阻和热电偶。无需针对每种传感器定制专门的测量电路，解决了因温度传感器多样性导致现有测量方案缺乏通用性的问题，实现了一种电路对多种温度传感器的通用测量。这大大降低了设计成本和复杂度，提高了生产效率，可广泛满足市场上不同用户对温度传感器测量的多样化需求。

20、进一步的，电压参考 vref 缓冲输出电路中的低通滤波器（由电阻 r3 和电容 c4构成）有效滤除噪声，为热电偶测量提供稳定偏置电压，减少噪声干扰；精密电流参考 iref产生电路保证输出电流稳定性，为铂电阻测量提供精确激励电流；可编程增益放大器根据传感器类型精确设置增益，能将微弱传感器信号放大到合适范围便于 ad 转换器高精度转换；ad 转换器将模拟信号转换为数字信号进一步提高处理精度；mcu 根据传感器类型调用精确的温度转换算法（如铂电阻利用电阻 - 温度特性公式，热电偶根据分度表和插值算法），从多个环节确保了测量的高精度，满足高精测量装置等对温度测量精度的苛刻要求。

21、进一步的，信息处理单元中的 mcu 作为核心控制单元，通过软件控制实现对整个测量过程的智能化管理。它能根据不同传感器类型自动切换测量模式、调整激励和偏置、控制信号处理流程以及进行数据计算和传输等，无需人工干预复杂的测量参数设置，极大提高了测量效率和准确性。同时，通过 uart 接口实现与外部设备的数据交互，方便系统集成和远程监控，符合新一代航空航天设备等对智能化测量的要求，提升了整个系统的自动化和智能化水平。

22、进一步的，电路集成度的提高减少了电路板面积和元器件数量，直接降低了硬件成本。低功耗的微控制器 mcu 以及合理的电路设计（如各单元组件的优化配置、信号处理流程的高效性等）降低了整体功耗。精密电压产生电路为其他电路提供稳定参考信号避免了重复设计复杂电路，软件配置选择合适工作模式和参数减少了不必要的能量消耗。这使得测量电路在保证高性能的同时，具有更好的经济性和能效表现，提高了产品的市场竞争力，有利于在成本敏感和对功耗有要求的应用场景中广泛推广。