外設驅動庫開發筆記38：RTD熱電阻測溫驅動
我們已經討論過多種溫度檢測方式，但我們尚未關注熱電阻溫度檢測，但熱電阻測溫在工業環境中是非常常見的。儘管有很多整合的數字式的熱電阻介面元器件，但這些器件不但成本較高，靈活性也大打折扣。所以我們有時會使用更簡單靈活的電路來驅動RTD。而在這一篇中，我們將討論如何設計並實現RTD熱電阻測溫的驅動。
1、功能概述
RTD熱電阻是常用的測溫元件。RTD的英文全稱為“Resistance Temperature Detector”，因此準確來說，它應該翻譯為“電阻溫度檢測器”。RTD是一種特殊的電阻，其阻值會隨著溫度的升高而變大，隨著溫度的降低而減小。工業上利用它的這一特性進行溫度測量，因此RTD也被俗稱為“熱電阻”。
並不是所有的金屬都適合做成RTD，符合這一特性的材料需要滿足如下幾個要求：
-
該金屬的電阻值與溫度變化能呈線性關係；
-
該金屬對溫度的變化比較敏感，即單位溫度變化引起的阻值變化（溫度係數）比較大；
-
該金屬能夠抵抗溫度變化造成的疲勞，具有好的耐久性；
符合該要求的金屬並不多，常見的RTD材料有：鉑（Pt）、鎳（Ni）和銅（Cu）。對應的國家統一生產工業標準化熱電阻有三種：WZP型鉑電阻、WZC型銅熱電阻和WZN型鎳熱電阻。
1.1、鉑熱電阻
鉑電阻是我們常用的RTD，鉑熱電阻採用溫度係數為3.885x10-3的元件，溫度和電阻的關係表示式：
在-200℃~0℃為：
在0℃~850℃為：
其中：Rt溫度為t℃時的電阻；R0是溫度為0℃時的電阻。而各個係數均為常數：
常數A=3.9083×10-3
常數B=-5.775×10-7
常數C=-4.183×10-12
鉑熱電阻對應的測溫範圍是：-200℃~850℃。常見的型號Pt50、Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。名稱中的數值表示熱電阻在0℃下的標稱電阻值。
1.2、銅熱電阻
銅熱電阻也是在工業上常用的RTD，銅熱電阻採用溫度係數為：4.28x10-3的元件。溫度和電阻的關係表示式：
其中，Rt是溫度為t℃時的電阻，R0是溫度為0℃時電阻，而各個係數長數的取值為：
常數α=4.28x10-3
常數β=-9.31x10-8
常數γ=1.23x10-9
銅熱電阻對應的測溫範圍是：-50℃~150℃。而常見的分型別號有：Cu50、Cu100等。名稱中的數值表示熱電阻在0℃下的標稱電阻值。
1.3、鎳熱電阻
另一種工業標準RTD則是鎳熱電阻。鎳熱電阻採用溫度係數為6.17x10-3的元件。溫度和電阻的關係表示式：
其中，Rt是溫度為t℃時的電阻，R0是溫度為0℃時電阻，而各個係數長數的取值為：
常數A=5.485x10-3
常數B=6.65x10-6
常數C=2.805x10-11
鎳電阻對應的測溫範圍是：-60℃~180℃。而常見的分型別號有：Ni100、Ni300、Ni500等。名稱中的數值表示熱電阻在0℃下的標稱電阻值。
2、驅動設計與實現
我們已經瞭解了RTD的特性，以及不同材質的RTD溫度與點組的關係表示式。接下來我們就實現通過RTD檢測溫度的驅動。
2.1、物件定義
在實現RTD的驅動之前，我們依然需要抽象並定義RTD物件，並將其宣告為物件型別。
2.1.1、物件的抽象
在實現對RTD的操作之前，我們先抽象RTD物件。每一個RTD物件都有幾個共同的屬性：標稱電阻，溫度和型別。型別就是前面所描述的三種，我們將其定義為列舉。物件的宣告如下：
/* 定義RTD型別列舉 */
typedef enum RTDCategory {
WZP，
WZC，
WZN
}RTDCategoryType;
/* 定義RTD物件 */
typedef struct RTDObject{
float nominalR; //RTD標稱電阻
float temperature; //所測溫度
RTDCategoryType type; //RTD型別
}RTDObjectType;
2.1.2、物件的初始化
宣告一個RTD物件後，僅僅只是聲明瞭一個物件變數，在賦值之前尚不能使用。所以我們要使用初始化函式將其初始化之後才可使用。RTD物件的初始化函式如下：
/* 初始化RTD物件 */
void RTDInitialization(RTDObjectType *rtd，RTDCategoryType type，float nr)
{
if(rtd==NULL)
{
return;
}
rtd->type=type;
rtd->nominalR=nr;
}
2.2、物件操作
前面我們已經提到了各類熱電阻的電阻與溫度的關係表示式。在這些表示式中，二次以上的項的係數其實是非常小的，所以在一般要求不高，溫度變化不是很大的場合基本就是線性關係。所以我們將其簡化為線性方程：
2.2.1、WZP鉑電阻
鉑電阻的溫度與電阻的關係在0度以上和0度以下略有差別，但如果我們採用線性近似的話則是一樣的。所以我們採用線性方程實現如下：
/* 計算鉑電阻溫度 */
static float CalcWzpTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
float a=0.0039083;
temp=((rt/rtd->nominalR)-1.0)/a;
rtd->temperature=temp;
return temp;
}
2.2.2、WZC銅電阻
銅電阻的溫度與電阻的關係表示式相對複雜，但好在高次項的影響相對較小，我們依然可以使用線性近似來實現它。
/* 計算銅電阻溫度 */
static float CalcWzcTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
float alpha=0.00428;
temp=((rt/rtd->nominalR)-1.0)/alpha;
rtd->temperature=temp;
return temp;
}
2.2.3、WZN鎳電阻
鎳電阻的電阻溫度係數比鉑電阻和銅電阻都要好，但其線性度則不如鉑電阻，同樣的是其高次項的影響也相對較小，在溫度並不大範圍變化時仍然可以採取線性近似。
/* 計算鎳電阻溫度 */
static float CalcWznTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
float a=0.005485;
temp=((rt/rtd->nominalR)-1.0)/a;
rtd->temperature=temp;
return temp;
}
2.2.4、統一溫度獲取
面向不同型別的RTD，我們實現了各自的溫度轉換函式，但作為驅動函式庫，我們總是希望能進行無差別呼叫。所以我們希望設計一個統一的介面函式。所幸每種型別RTD操作函式均有相同的格式，於是我們就很容易想到使用函式指標來處理它。
float (*CalcTemperature[])(RTDObjectType *rtd，float rt)={CalcWzpTemperature，CalcWzcTemperature，CalcWznTemperature};
/*計算熱電阻測得的溫度*/
float CalcRTDTemperature(RTDObjectType *rtd，float rt)
{
float temp=0.0;
temp=CalcTemperature[rtd->type](rtd，rt);
return temp;
}
3、驅動的使用
我們採用RTD測溫時可以使用這一驅動。其實用步驟分兩步：宣告並初始化物件；呼叫函式計算溫度值。接下來我們就來實現之。
3.1、宣告並初始化物件
首先使用RTDObjectType型別定義RTD物件，如果有多個可以使用陣列方式定義。RTDObjectType rtd；或RTDObjectType rtd[N]；的形式。其中N為數量。
定義物件變數後和以呼叫初始化函式對齊進行初始化：
RTDInitialization(&rtd，type，nr);
其中type為RTDCategoryType列舉型別，可以是鉑熱電阻（WZP）、銅熱電阻（WZC）和鎳熱電阻（WZN）。nr為所操作物件在0攝氏度時的標稱電阻值。
3.2、呼叫函式計算溫度值
物件初始化後就可以操作物件來獲取物件當前時刻的溫度值。具體如下：
CalcRTDTemperature(&rtd，rt)；
其中rt為當前物件的電阻值。
4、應用總結
我們實現了RTD的檢測，對得到的當前溫度電阻值，使用根本驅動就可以計算得到當前的溫度。
本驅動支援鉑熱電阻（WZP）、銅熱電阻（WZC）和鎳熱電阻（WZN）。對於不同該型別，不同標稱值的物件均可以使用。不過需要注意：鉑熱電阻對應的測溫範圍是：-200℃850℃；銅熱電阻對應的測溫範圍是：-50℃150℃；鎳電阻對應的測溫範圍是：-60℃~180℃。超過範圍的將不被支援。
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