具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分优选实施例，而不是全部的实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

实施例1：请参阅图1-11；

本发明提供如下技术方案：一种大功率柴油机温度采集模块及方法，硬件部分包括：电源电路、信号输入电路、运算放大电路、环境温度采样电路、MCU最小系统电路、拨码开关电路、CAN通讯驱动电路、RS485通讯驱动电路、继电器驱动电路；方法部分包括：输入信号类型转换方法、PT1000温度传感器信号有效性识别方法、K分度热电偶温度传感器信号有效性识别方法、无源开关量信号有效性识别方法、环境温度采集方法、传感器温度采集方法。

PT1000热电阻、K分度热电偶或无源开关量通过电缆连接至信号输入电路，信号经电子开关进行通道选择后进入运算放大电路，放大后的信号进入MCU的ADC输入端口，应用程序控制MCU内部ADC转换器完成信号的模数转换，并按照传感器类型进行相对应信号处理，处理完成的信号参与故障判断、报警等控制策略运算，运算结果通过通讯驱动电路和继电器驱动电路送出(参见图1)。

电源电路。根据需求，电源输入采用DC24V，内部设置DC24V转DC12V和DC12V转DC5V两种转换电源，DC12V用于继电器驱动电路、多通道电子开关、ADC基准电源电路和环境温度采样电路的供电，DC5V用于传感器信号输入电路、信号放大电路、MCU最小系统电路、CAN通讯驱动电路、RS485通讯驱动电路的供电。

信号输入电路(参见图2)。PT1000是电阻变化型温度传感器，输出的是随温度变化的不同电阻值，K分度热电偶输出的是冷热端温度差电势，因此两者需要采用不同的测量驱动电路。在电路设计中加装跳线，选择不同的驱动电源和上拉电阻，适配PT1000电阻信号和K分度热电偶信号。

运算放大电路(参见图3)。选择后的传感器信号进入多通道电子转换开关，经应用程序完成通道选择后进入运算放大电路。按照0～200℃测温范围要求，PT1000热电阻经信号输入电路后信号变化范围为0.3125V～0.4278V，K分度热电偶经信号输入电路后信号变化范围为0～8.138mV，经运算放大后的信号需统一至0～5V范围内。运算放大电路设置两级运算放大器，第一级放大倍数为7.2，第二级放大倍数为81，两级放大后的综合倍数为583.2。当传感器为PT1000热电阻时，通过跳线选择将第二级放大电路改变为电压跟随电路(同相位)，经放大后信号范围2.25～3.0802V；当传感器为K分度热电偶时，通过两级放大后信号范围0～4.746V。两种类型传感器信号放大后范围满足ADC转换器0～5V范围要求和温度测量精度要求。

环境温度采样电路(参见图4)。由于K分度热电偶传感器的测量原理要求对冷端温度进行补偿，因此设置环境温度采样电路对冷端温度进行测量，通过应用程序计算补偿后得到传感器热端实测温度。环境温度采样电路采用LM35D集成芯片，其中芯片+VS引脚连接12V；GND引脚经两只正向压降约为0.3V二极管连接0V，GND引脚经电压跟随器后连接至MCU的ADC转换接口；VOUT引脚通过负载电阻连接至0V，VOUT引脚经电压跟随器后连接至MCU的ADC转换接口。环境温度每变化1℃，以GND引脚电位为参考VOUT引脚变化10.0mV，变化范围为-0.6～4.4V，满足环境温度-50℃～+150℃测量范围。

MCU最小系统电路。MCU选用飞思卡尔9S12XEP100系列单片机，外围配置5V供电电源、工作电容、8MHz晶振，硬件资源包含12位ADC转换器、通用I/O、CAN、SCI接口等。MCU通用I/O引脚分别连接拨码开关电路、继电器驱动电路、多通道电子开关地址选通电路；AD引脚连接经放大后的温度传感器信号、环境温度采样信号；CAN0、CAN1引脚连接两路CAN驱动电路；SCI引脚连接RS485驱动电路。MCU通过嵌入编写的专属应用程序，完成传感器温度信号的采集与转换、工作模式切换、数据通讯、故障及报警处理、继电器指令驱动。

拨码开关电路。拨码开关电路由4位一组的拨码开关和上拉电阻组成，连接至MCU通用I/O引脚，与嵌入式应用程序配合实现输入信号类型选择、通讯总线站地址设置。

CAN通讯驱动电路。包含隔离型CAN驱动器，CAN驱动器TXD1、RXD1、TXD2、RXD2引脚连接至MCU的TXCAN0、RXCAN0、TXCAN1、RXCAN1引脚。

RS485通讯驱动电路。包含隔离型RS485驱动器，RS485驱动器TXD、RXD引脚连接至MCU的TXD0、RXD0引脚。

继电器驱动电路(参见图5)。包含DC12继电器、NPN型三极管、续流二极管、发光二极管。MCU通用I/O引脚连接至三极管基级，12V电源连接至继电器线圈一端，线圈另一端连接至三极管集电极，三极管发射极连接至0V，继电器线圈两端并联续流二极管、串入限流电阻的发光二极管。MCU引脚输出高电平时，触发三极管接通集电极与发射级，继电器吸合，输出无源开关量信号。

输入信号类型转换方法(参见图6)。输入信号类型包括PT1000热电阻、K分度热电偶、无源开关量三种。在信号输入电路、运算放大电路中分别设置跳线，用于切换硬件电路适应PT1000热电阻或K分度热电偶传感器；通过切换第1位拨码开关的0/1状态，控制应用程序执行相对应传感器类型的子程序。无源开关量信号输入属于PT1000热电阻应用模式的一种延伸应用方式，在该模式下，通过切换第2位拨码开关的0/1状态，控制应用程序执行相对应的子程序，拨码开关状态为0时执行PT1000热电阻传感器子程序，拨码开关为1时执行开关量信号子程序。

PT1000温度传感器信号有效性识别方法(参见图7)。0～200℃范围，PT1000热电阻ADC输入信号电压范围2.25～3.0802V，对应数字量范围2049～2525；当传感器信号出现短路时，ADC输入电压信号变为0V，对应数字量为0；当传感器信号出现断路时，ADC输入电压信号为5V，对应数字量为4095。应用程序通过判断ADC数值所处范围，就可以判断出传感器信号正常、短路、断路。

K分度热电偶温度传感器信号有效性识别方法(参见图8)。0～200℃范围，K分度热电偶ADC输入信号电压范围0～4.746V，对应数字量范围0～3890；当传感器信号出现短路时，ADC输入电压信号变为0V，对应数字量为0；当传感器信号出现断路时，ADC输入电压信号为5V，对应数字量为4095。由上述可知，与PT1000传感器信号故障判断条件不同，应用程序通过判断ADC数值所处范围，只能够判断出信号正常、断路两种状态，对于短路状态无法识别。

无源开关量信号有效性识别方法(参见图9)。信号输入端连接无源常开信号，常开信号两端并联10K欧姆电阻，跳线选择PT1000热电阻采集模式，当输入信号为常开时，ADC输入电压为2.5V，对应数字量为2048；当输入信号为闭合时，ADC输入电压为0V，对应数字量为0；当输入信号线路短路时，ADC输入电压为0V，对应数字量为0；当输入信号线路断路时，ADC输入电压为5V，对应数字量为4095。由上述可知，通过设置合理的ADC数值范围段，应用程序可以识别无源开关量输入信号的正常断开、正常闭合、信号线路断路。

环境温度采集方法。LM35D芯片GND引脚送入ADC转换器电压为0.6V,对应数字量为492；LM35D芯片VOUT引脚送入ADC转换器电压随温度变化而变换，每变化1℃，电压信号变化10.0mV，对应数字量变化8.2。应用程序获取到GND和VOUT对应的数字量后，使用VOUT数字量减去GND数字量，然后除以8.2数字量，即可得到当前环境温度值。

使用时，采用分段差值的方法，把0～200℃分为8段，共9个间隔温度点，按照PT1000热电阻分度表和K分度热电偶分度表，将9个间隔点温度值及所对应的ADC数字量值分别建立热电阻差值数据表(参见图10)和热电偶差值数据表(参见图11)并存储至MCU；切换拨码开关电路的代码，选择PT1000热电阻或K分度热电偶传感器工作程序；传感器工作，MCU最小系统电路接收ADC数字信号，应用程序把被测量温度的ADC数字量值与上述的数据差值表进行对照，选择对应的温度段；MCU最小系统电路预设的计算程序根据所选择的温度段的上限、下限对应的电信号数值与接收到ADC信号值进行比例计算，得到对应的温度值；处理完成的温度值信号参与故障判断、报警等控制策略运算，运算结果通过CAN通讯驱动电路、RS485通讯驱动电路和继电器驱动电路送出。

应用程序把被测量温度的ADC数字量值进行数据差值表对照并计算得出温度值。根据传感器的测量原理，PT1000热电阻传感器信号经过上述分段差值计算后，即可得到实测温度值；K分度热电偶传感器信号经过上述分段差值计算后，得到的是传感器冷热端的温度差值，因此，将环境温度测量值与传感器冷热端温度差值进行累加计算后，得到实测温度值。

所述比例计算的程序预设至MCU中，其具体计算方式如下：K分度热电偶计算公式：

其中，V_K为K偶对应的电压值，AD_comp为冷端补偿后的实际AD值，V_{AD_ref}为AD参考电压值。

其中，T_K为实测K偶温度值。根据图11判断公式(A)计算的电压值所在的区间范围，K_{V_(m-1)}为区间下限电压值，K_{V_m}为区间上限电压值，K_{T_(m-1)}为区间下限温度值，K_{T_m}为区间上限温度值。

PT1000热电阻计算公式：

其中，V_PT为PT1000电阻对应的电压值，AD_R为MCU读取AD值，V_{AD_ref}为AD参考电压值。

其中，R_PT为PT1000实际电阻值，此公式由分压电路得出。

其中，T_PT为PT1000温度值。根据图10判断电阻值所在区间范围，PT_{R_(m-1)}为区间下限电阻值，PT_{R_m}为区间上限电阻值，PT_{T_(m-1)}为相应区间下限温度值，PT_{T_m}为相应区间上限温度值。

本实施例优点在于，能够在同一信号输入通道内实现PT1000热电阻、K分度热电偶、无源开关量三种信号采集，并通过总线通讯实现柴油机控制系统内数据交换；配合灵活的控制策略可以快速融入不同型号柴油机控制系统中，增强系统的兼容性与扩展性。与PLC等控制器相比，本发明具有结构简单、成本更为低廉、适用性更灵活的特点，能够满足高速大功率柴油机在船舶系统中的应用。

需要说明的是：本发明可以用于采集柴油发动机主轴瓦温度信号，柴油发动机主轴瓦正常运行温度约100℃，设计温度采集范围0-200℃可以满足柴油机运行需要。主轴瓦温度传感器为表面热电偶和表面热电阻，专门用于测量表面温度的传感器，主轴瓦温度传感器外形结构根据实际安装要求定制，温度传感器安装方式采用在主轴瓦背面贴装，主轴瓦内侧贴紧轴承，通过测量主轴瓦背面温度间接反映主轴承温度，主轴瓦温度传感器信号适配PT1000或K分度热电偶两种类型。

本发明未详述部分为现有技术；对于本领域的普通技术人员而言，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型，所获得的所有其他实施例，都属于本发明所记载的范围；本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。