一种温度变化模拟装置及方法.pdf

本发明公开了一种温度变化模拟装置及方法,通过通信模块接收上位机或控制系统下发的温度输出值、修正系数和校验值，依据电阻分度表，结合温度采集系统的特点，通过温度解算模块解算出模拟温度对应输出的数字电压值，通过SPI总线将解算的电压值发送至高精度参考电压输出模块，由高精度参考电压输出模块输出对应的模拟电压值。该方式适用于常用的温度测量领域，能够准确将温度模拟成对应的模拟电压，连接温度测量系统测得的温度值可以精确到0.5℃，并且操作简便，自动化程度高，体积小，易于多路扩展，分辨率高，精度高，带有温度校准修正功能。

权利要求书
1.  一种温度变化模拟装置，其特征在于：包括通信模块、温度解算模块、逻辑控制模块、参考电压输出模块、参数存储模块；
通信模块，用于接收上位机或者控制系统下发的输出温度值、修正系数和校验值命令，并将接收的命令传递给温度解算模块；
温度解算模块，用于将输出温度值解算得出对应的数字电压值；
逻辑控制模块，用于实现对通信模块接收命令值的使能控制和参考电压输出模块的使能控制，并将解算的数字电压值发送给参考电压输出模块；同时将修正系数存入参数存储模块，且当从温度测量系统所得温度值和要模拟温度存在偏差时，进行温度修正，修改修正系数并存储；
参考电压输出模块，用于将数字电压值转换为对应的模拟电压值并输出至温度采集系统；
参数存储模块，用于存储修正系数。

2.  根据权利要求1所述的温度变化模拟装置，其特征在于：所述参考电压模块包括D/A转换模块和电压调理模块。

3.  根据权利要求1或2所述的温度变化模拟装置，其特征在于：所述通信模块为RS485通信模块。

4.  根据权利要求1所述的温度变化模拟装置，其特征在于：所述逻辑控制模块采用STM32F103系列芯片。

5.  一种温度变化模拟方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
(1)通过通信模块接收上位机或者控制系统发送的温度输出温度命令值、修正值和校验值；
(2)温度解算模块将命令值解析计算，得到温度对应的数字电压值；
(3)逻辑控制模块将解算的数字电压值传递给参考电压输出模块，经过D/A转化和电压调理，输出对应的模拟电压；
(4)输出的对应模拟电压被温度测量系统采集后，将从温度测量系统得到的温度值与要模拟的温度值进行比对，若一致，修正系数为0；否则对偏差温度进行修正，将修正系数存入参数存储模块。

6.  根据权利要求5所述的温度变化模拟方法，其特征在于：通信模块和与其通信的上位机或者控制系统之间要遵守特定的Modbus通信协议。

7.  根据权利要求5所述的温度变化模拟方法，其特征在于：温度解算模块将命令值解析计算得到温度对应的数字电压值的过程如下：
ⅰ查矩阵表得到要模拟温度对应的电阻值，该矩阵表为把电阻分度表按照一定温度间隔将设定温度范围的电阻值制作成的对应阵列的矩阵表；
ⅱ根据查表得到的要模拟温度对应的电阻值计算出对应的数字电压值。

8.  根据权利要求5～7任意一项所述的温度变化模拟方法，其特征在于：逻辑控制模块将解算数字电压值通过SPI总线传递给参考电压输出模块。

说明书一种温度变化模拟装置及方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种温度变化模拟装置及方法。
背景技术
目前较常用的测温电路有两种：桥式测温电路和恒流源式测温电路，桥式测温电路的原理是采用比例电阻和测温电阻构测量电桥，依据测温电阻随温度变化输出不同电阻，形成压差信号，通过采集压差计算测量对应的温度值；恒流源式测温电路的原理是将恒定电流通过测温电阻，依据测温电阻随温度变化输出不同电阻，生成不同的电压降，通过对电压降采集处理获取对应的温度值。
对于温度模拟普遍采用合成电阻的方法，常见的有如下几种：(1)运用继电器投切精密电阻得到可变的电阻。由于继电器存在接触电阻而且体积较大，不但精度难以保证，而且不利于扩展多路应用；(2)采用人工旋转多圈电位器来改变电位器阻值。通过手动旋转多圈电位器很难实现阻值位置精确定位，而且每次模拟应用，都需重新进行测量定位，操作复杂；(3)采用单个或者多个数字电位器切换半导体电阻来得到可变的电阻，但目前的数字电位器的分辨率不高、额定阻值误差大、温度系数大，且不能够无级调节。
中国专利CN103868200A公开了一种用于模拟温度变化的电平电压输出装置，包括主控模块、温度设定模块、数据存储模块、电位产生模块以及显示模块，由主控模块根据温度设定模块输出的温度设定指令从数据存储模块中读取一个或多个目标电位数据，并由电位产生模块根据一个或多个目标电 位数据输出一个或多个电平电压，如果电位产生模块输出的电平电压与目标电位数据对应的电平电压不一致，则主控模块会相应地调整传送至电位产生模块的电位数据，直至电位产生模块输出的电平电压与目标电位数据对应的电平电压相一致，从而实现了根据温度设定指令模拟温度变化并输出相应的电平电压。该装置主要应用于空调器，其温度设定指令一般是由用户对温度设定模块发出控制操作达到的，且其输出的电平电压是通过直接从数据存储模块中读取的目标电位数据得到的，主控模块只能不断调整使电位产生模块输出电位数据与目标电位数据保持一致，该修正方式与空调器的温度采样模块没有联系起来，无法根据温度采样模块实际采集的温度值来对模拟电压进行修改，不能保证其准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度变化模拟装置，能够准确将温度模拟成对应的模拟电压，同时提供一种使用该装置的温度模拟方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种温度变化模拟装置，包括通信模块、温度解算模块、逻辑控制模块、参考电压输出模块、参数存储模块；
通信模块，用于接收上位机或者控制系统下发的输出温度值、修正系数和校验值命令，并将接收的命令传递给温度解算模块；
温度解算模块，用于将输出温度值解算得出对应的数字电压值；
逻辑控制模块，用于实现对通信模块接收命令值的使能控制和参考电压输出模块的使能控制，并将解算的数字电压值发送给参考电压输出模块；同时将修正系数存入参数存储模块，且当从温度测量系统所得温度值和要模拟 温度存在偏差时，进行温度修正，修改修正系数并存储；
参考电压输出模块，用于将数字电压值转换为对应的模拟电压值并输出至温度采集系统；
参数存储模块，用于存储修正系数。
所述参考电压模块包括D/A转换模块和电压调理模块。
所述通信模块为RS485通信模块。
所述逻辑控制模块采用STM32F103系列芯片。
一种温度变化模拟方法，该方法的步骤如下：
(1)通过通信模块接收上位机或者控制系统发送的温度输出温度命令值、修正值和校验值；
(2)温度解算模块将命令值解析计算，得到温度对应的数字电压值；
(3)逻辑控制模块将解算的数字电压值传递给参考电压输出模块，经过D/A转化和电压调理，输出对应的模拟电压；
(4)输出的对应模拟电压被温度测量系统采集后，将从温度测量系统得到的温度值与要模拟的温度值进行比对，若一致，修正系数为0；否则对偏差温度进行修正，将修正系数存入参数存储模块。
通信模块和与其通信的上位机或者控制系统之间要遵守特定的Modbus通信协议。
温度解算模块将命令值解析计算得到温度对应的数字电压值的过程如下：
ⅰ查矩阵表得到要模拟温度对应的电阻值，该矩阵表为把电阻分度表按照一定温度间隔将设定温度范围的电阻值制作成的对应阵列的矩阵表；
ⅱ根据查表得到的要模拟温度对应的电阻值计算出对应的数字电压值。
逻辑控制模块将解算数字电压值通过SPI总线传递给参考电压输出模块。
本发明的温度变化模拟装置及方法通过通信模块接收上位机或控制系统下发的温度输出值、修正系数和校验值，依据电阻分度表，结合温度采集系统的特点，通过温度解算模块解算出模拟温度对应输出的数字电压值，通过SPI总线将解算的电压值发送至高精度参考电压输出模块，由高精度参考电压输出模块输出对应的模拟电压值。该方式适用于常用的温度测量领域，能够准确将温度模拟成对应的模拟电压，连接温度测量系统测得的温度值可以精确到0.5℃，并且操作简便，解决人工旋转多圈电位器来改变电位器阻值多次操作设置问题；自动化程度高，体积小，易于多路扩展，解决继电器投切精密电阻得到可变的电阻体积大的问题；分辨率高，精度高，带有温度校准修正功能，解决了因数字电位器自身特点引起的精度低，无法实现无级调节的问题。
该装置根据温度模拟通道数的需求，还易于扩展，通过将装置模块和Modbus协议稍作修改，即可满足同时模拟多种环境温度，应用广泛。
附图说明
图1是本发明温度变化模拟装置的原理图；
图2是RS485模块通信原理图；
图3是温度解算模块的实现流程；
图4是接收温度命令的Modbus协议。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
如图1所示为本发明温度变化模拟装置的原理图，由图可知，该装置包括通信模块、温度解算模块、逻辑控制模块、参考电压输出模块、参数存储模块；通信模块，用于接收上位机或者控制系统下发的输出温度值、修正系数和校验值命令，并将接收的命令传递给温度解算模块；温度解算模块，用于将输出温度值解算得出对应的数字电压值；逻辑控制模块，用于实现对通信模块接收命令值的使能控制和参考电压输出模块的使能控制，并将解算的数字电压值发送给参考电压输出模块；同时将修正系数存入参数存储模块，且当从温度测量系统所得温度值和要模拟温度存在偏差时，进行温度修正，修改修正系数并存储；参考电压输出模块，用于将数字电压值转换为对应的模拟电压值并输出至温度采集系统；参数存储模块，用于存储修正系数。
如图2所示，本实施例的通信模块为RS485通信模块，选用ISO3082DW作为通信芯片，U2RX、U2TX、U2CS连接温度解算模块，RS485_A、RS485_B连接上位机或者控制系统，其中R1、R2、TVS1、TVS2为保护电阻和二极管。U2CS受逻辑控制模块控制，当使能时，RS485通信模块可与上位机或者控制系统进行通信。
温度解算模块由实现温度值到数字电压值转换的软件算法构成，其会根据不同的温度采集系统修改相应的算法。
逻辑控制模块采用ST公司的STM32F103系列芯片，可以选用STM32F103R8T6芯片，其具有2路SPI通信接口，多大49个GPIO口，易于逻辑控制及扩展应用。
参考电压输出模块由D/A转换模块和电压调理模块组成。
参数存储模块选用EEPROM芯片AT25128N-10SI-2.7，其具有128K的 存储容量。
本发明的温度变化模拟装置通过RS485通信模块接收上位机或者控制系统下发的输出温度值、修正系数和校验值命令，将接收的命令传递给温度解算模块进行解算出对应的数字电压值，同时将修正系数存入参数存储模块，逻辑控制模块控制通过SPI总线将解算数字电压值发送给参考电压输出模块，经过D/A转换和电压调理模块输出对应的模拟电压值，同时将修正后的系数存入参数存储模块。
本发明还提供了一种温度变化模拟方法，该方法的步骤如下：
(1)通过通信模块接收上位机或者控制系统发送的温度输出温度命令值、修正值和校验值；通信模块和与其通信的上位机或者控制系统之间要遵守特定的Modbus通信协议。
(2)温度解算模块按照Modbus通信协议和数据定义将命令值解析计算，得到温度对应的数字电压值；
本实施例的Modbus协议如图4所示，起始地址为0000H，寄存器数量为1个，2个字节，数据的高低字节组合成要模拟温度值，修正系数可正负以及校验位AA55。
如图3所示，当接收到要模拟温度时，要将其模拟成对应的数字量电压的算法步骤如下：
ⅰ查矩阵表得到要模拟温度对应的电阻值，该矩阵表为把电阻分度表按照一定温度间隔将设定温度范围的电阻值制作成的对应阵列的矩阵表；本实施例的矩阵表可以是将PT100铂电阻分度表按照间隔1℃将-80℃-200℃范围的电阻值制作成30*10的矩阵表，其计算机查表方式为：
m_RValue＝TRtable[InputTemp-MIN_TEMP+TEMP_Corn]，其中TRtable为查表符号，InputTemp为输入模拟温度，MIN_TEMP为最小温度，即矩阵表的最低温度值，TEMP_Corn为要修正系数，默认为0。
ⅱ根据查表得到的要模拟温度对应的电阻值计算出对应的数字电压值DAC_Out_Vol，其计算公式如下：
DAC_Out_Vol＝R3/R4*M_Ratio*(m_RValue-R4)
其中，m_RValue为查表所得模拟温度对应的电阻值；R3/R4为参考电压输出模块中的电压调理模块比例系数，R3、R4均为电压调理模块中的电阻，模拟输出电压端连接的温度测量系统测量的是R4两端的电压；M_Ratio为可调节比例值，当连接的温度测量系统不同时可进行调节。
(3)逻辑控制模块将解算的数字电压值通过SPI总线传递给参考电压输出模块，经过D/A转化和电压调理，输出对应的模拟电压；
参考电压输出模块主要包括D/A转换模块和电压调理模块，D/A转换模块选择12位DAC7652，当选择内部基准源时，其输出电压值其中n＝12,DIN为0-4093，依据模拟温度值的不同，对应输入不同的DIN值，D/A转换模块的输出电压就会相应的变化。电压调理模块是将D/A转换模块的输出电压进行比例分压，根据温度测试系统的不同可以选择不同的比例。
(4)输出的对应模拟电压被温度测量系统采集后，将从温度测量系统得到的温度值与要模拟的温度值进行比对，若一致，修正系数为0；若显示两者存在偏差，则对偏差温度进行修正，修改下发的温度命令修正系数，直到两者温度偏差在0.5℃以下，并将修正系数存入参数存储模块。
需要说明的是：本发明的温度变化模拟装置可以根据模拟温度通道数的 需求可以进行扩展应用。
以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。