MSC1211在黑体式光电高温计中的应用

　　1引言

　　高温测量, 在科研及工业生产过程中占有极其重要的地位, 目前依然主要使用的仍然是铂铑系列的贵金属热电偶, 由于贵金属材料资源稀缺, 价格昂贵, 并且提炼和回收能造成环境污染, 因此限制了其应用, 迫切要求新方法的出现。自从美国国家标准局 R. R. Dils 提出黑体腔型接触式光纤高温测量方法之后, 基于黑体辐射的高温计便得到了人们的重视和研究。这种方法具有测量准确、抗干扰能力强、安装使用方便等优点, 由于不使用贵重金属, 因此使用成本很低。本文在对黑体腔、光路部分改进的同时, 充分利用德州仪器的 MSC1211 单片机的许多新特性, 如自带的 8 路 24 位高精度∑- △A/D 转换器、片内偏移/增益自校准电路、4 通道 16 位 D/A 转换器等, 实现了对高温的高精度测量, 并且使得整个系统在集成化程度、分辨率、稳定性、可靠性方面提高了不少。

　　2 黑体式光电高温计的工作原理及整体设计

　　黑体式光电高温计由黑体腔、光电探测器以及信号处理电路组成, 如图1 所示。将黑体腔插入被测量介质中, 使其直接接触被测介质温度, 并发出与被测温度成一定关系的辐射信号, 通过光纤把信号送给光电探测器, 经光电转换后将电信号送至信号处理器即可进行待测温度的计算、补偿、显示和远传等。

　　MSC1211 是一款增强型8051 内核低功耗单片机, 它有许多优良特性, 比如, 它内部有高达32kB 的 FLASH 存储器,SRAM达1.2kB, 有多达21 个中断源, 执行速度比标准8051快3 倍等等。

　　整个体统的主要任务是黑体腔感知温度发出辐射信号, 调理电路将辐射信号转换为电信号, 经 A/D 转换进入信号处理器, 计算出温度值, 并能输出电流或电压信号, 以供传输或二次仪表使用。最终选择 MSC1211 作为信号处理的核心元件, 主要是基于以下考虑:(1) 24 位∑- △A/D 转换器, 这是实现高精度测温的重要保证; (2) 内部包含完整的前向通道和后向通道 DAC,使用非常方便, 这样功能完备的片上系统, 需要的外围电路很少, 整机结构显得非常简洁, 并且可靠性高。见图1 虚线框内,原本A/D 转换、单片机控制系统、D/A 转换三部分的内容, 用一个MSC1211 单片机就可以取代。

　　3 基于MSC1211 的硬件设计

　　如图1, 光信号通过光电探测器转换为电流信号, 再通过调理电路转换为合适的电压信号, 进入以 MSC1211 为核心的信号采集和处理系统, 基于MSC1211 的硬件设计如图2 所示, 由于单片机本身强大的功能, 使得外围电路很少, 看起来非常简洁。

　　3.1 模数转换器

　　MSC1211 内部包含完整的前向通道, 有多路开关, 可以选择差分输入的形式或者单端对地输入形式。在这个通道上, 还可以选择使用缓冲器, 其内部放大器为可编程增益放大(PGA)在 1~128 之间可调, 这样对于一些输出微弱信号的传感器就比较方便, 可以直接接入 MSC1211 的输入端, 无需在电路中再增加中间放大环节, 这对于系统设计是十分有利的。通过改变命令寄存器的方式设置内部通道的功能, 用指令就可以选择输入缓冲器, 设置放大增益, 控制通道开关切换, 进行偏移校正等。