利用精密模擬微控制器ADuCM360和外部熱電偶構(gòu)建基于USB的溫度監(jiān)控器

電路功能與優(yōu)勢

本電路顯示如何在精密熱電偶溫度監(jiān)控應(yīng)用中使用精密模擬微控制器ADuCM360/ADuCM361。ADuCM360/ADuCM361集成雙通道24位-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、雙通道可編程電流源、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、1.2 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源、ARM Cortex-M3內(nèi)核、126 kB閃存、8 kB SRAM以及各種數(shù)字外設(shè)，例如UART、定時(shí)器、SPI和I2C接口等。

在本電路中，ADuCM360/ADuCM361連接到一個(gè)熱電偶和一個(gè)100 鉑電阻溫度檢測器(RTD)。RTD用于執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償。

在源代碼中，ADC采樣速率選擇4 Hz。當(dāng)ADC輸入可編程增益放大器(PGA)的增益配置為32時(shí)，ADuCM360/ADuCM361的無噪聲代碼分辨率大于18位。

圖1. ADuCM360/ADuCM361用作溫度監(jiān)控控制器與熱電偶接口(原理示意圖，未顯示所有連接)

電路描述

本應(yīng)用中用到ADuCM360/ADuCM361的下列特性：

- 在軟件中，為熱電偶和RTD配置了32倍PGA增益的24位∑-△型ADC。ADC1在熱電偶信號采樣與RTD電壓信號采樣之間連續(xù)切換。

- 可編程激勵(lì)電流源，用來驅(qū)動(dòng)受控電流流經(jīng)RTD。雙通道電流源可在0A至2mA范圍內(nèi)配置。本例使用200A設(shè)置，以便將RTD自熱效應(yīng)引起的誤差降至最小。

- ADuCM360/ADuCM361中的ADC內(nèi)置1.2V基準(zhǔn)電壓源。它的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源精度高，適合測量熱電偶電壓。

- ADuCM360/ADuCM361中的ADC內(nèi)置外部電壓基準(zhǔn)電壓源。它可測量RTD電阻;采用比率式設(shè)置，將一個(gè)外部基準(zhǔn)電阻(RREF)連接在外部VREF+和VREF引腳上。

- 偏置電壓發(fā)生器(VBIAS)。VBIAS用于將熱電偶共模電壓設(shè)置為AVDD/2。

- ARMCortex-M3內(nèi)核。功能強(qiáng)大的32位ARM內(nèi)核集成了126kB閃存和8kBSRAM存儲器，用來運(yùn)行用戶代碼，可配置并控制ADC，通過RTD處理ADC轉(zhuǎn)換，以及控制UART/USB接口的通信。

- UART用作與PC主機(jī)的通信接口。

- 兩個(gè)外部開關(guān)用來強(qiáng)制該器件進(jìn)入閃存引導(dǎo)模式。使SD處于低電平，同時(shí)切換RESET按鈕，ADuCM360/ADuCM361便進(jìn)入引導(dǎo)模式，而不是正常的用戶模式。在引導(dǎo)模式下，通過UART接口可以對內(nèi)部閃存重新編程。

熱電偶和RTD產(chǎn)生的信號均非常小，因此需要使用PGA來放大這些信號。

本應(yīng)用使用的熱電偶為T(銅-康銅)型，其溫度范圍為−200°C至+350°C。靈敏度約為40V/°C，這意味著ADC在雙極性模式和32倍PGA增益設(shè)置下可以覆蓋熱電偶的整個(gè)溫度范圍。

RTD用于執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償。本電路使用鉑100ΩRTD，型號為Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表貼封裝。溫度變化率為0.385Ω/°C。

注意，基準(zhǔn)電阻RREF應(yīng)為精密5.6kΩ (±0.1%)電阻。

ADuCM360/ADuCM361的USB接口通過FT232R UART轉(zhuǎn)USB收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，它將USB信號直接轉(zhuǎn)換為UART。

除圖1所示的去耦外，USB電纜本身還須采用鐵氧體磁珠來增強(qiáng)EMI/RFI保護(hù)功能。本電路所用鐵氧體磁珠為Taiyo Yuden #BK2125HS102-T，它在100 MHz時(shí)的阻抗為1000Ω。

本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層印刷電路板(PCB)上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)。

評估該電路所用的PCB如圖2所示。

圖2. 本電路所用的EVAL-ADuCM360TCZ板

代碼說明

用于測試本電路的源代碼可從ADuCM360產(chǎn)品頁面下載(zip壓縮文件)。

UART配置為波特率9600、8數(shù)據(jù)位、無極性、無流量控制。如果本電路直接與PC相連，則可以使用“超級終端” (HyperTerminal)等通信端口查看程序來查看該程序發(fā)送給UART的結(jié)果，如圖3所示。

圖3.“超級終端”通信端口查看程序的輸出

測量熱電偶和RTD的溫度，以獲得溫度讀數(shù)。通過查找表，將RTD溫度轉(zhuǎn)換為它的等效熱電偶電壓(可查看ISE公司的ITS-90 T型熱電偶表)。這兩個(gè)電壓相加以得出熱電偶的絕對溫度值。

首先，V1是熱電偶兩條線之間測得的電壓。通過查找表，測量RTD電壓并轉(zhuǎn)換為溫度值;然后，該溫度值再轉(zhuǎn)換為它的等效熱電偶電壓(V2)。隨后，V1和V2相加得出總熱電偶電壓值，此數(shù)值經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為最終的溫度測量值。

圖4. 使用簡單線性逼近法時(shí)的誤差

最初，這一轉(zhuǎn)換是基于一個(gè)簡單的線性假設(shè)：熱電偶的溫度為40V/°C。從圖4可以看出，只有針對0°C左右的小范圍溫度，如此轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的誤差才是可以接受的。計(jì)算熱電偶溫度的更好方法是對正溫度使用6階多項(xiàng)式，對負(fù)溫度使用7階多項(xiàng)式。這需要進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間和碼字大小增加。適當(dāng)?shù)恼壑允轻槍潭〝?shù)量的電壓計(jì)算相應(yīng)的溫度，然后將這些溫度存儲在一個(gè)數(shù)組中，其間的值利用相鄰點(diǎn)的線性插值法計(jì)算。從圖5可以看出，使用這種方法時(shí)誤差顯著降低。圖5表示使用理想熱電偶電壓的算法誤差。

圖5. 使用分段線性逼近法時(shí)的誤差

圖6表示在ADuCM360上采用ADC1測量全熱電偶工作范圍內(nèi)的52個(gè)熱電偶電壓，所產(chǎn)生的誤差。整體最大的誤差為<1°C。

圖6. 使用分段線性逼近法時(shí)的誤差(采用ADuCM360/ADuCM361測量的52個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn))

像熱電偶一樣，RTD溫度可使用查找表的方法計(jì)算與實(shí)現(xiàn)。注意，描述RTD溫度與電阻關(guān)系的多項(xiàng)式與描述熱電偶的多項(xiàng)式不同。

常見變化

ADP1720 可以代替ADP120調(diào)節(jié)器，前者具有同樣的工作溫度范圍(−40°C至+125°C)，功耗更低(典型值為35A，后者為70A)且具有更低的最大輸入電壓。請注意，ADuCM360/ADuCM361可以通過標(biāo)準(zhǔn)串行線接口編程或調(diào)試。

對于標(biāo)準(zhǔn)UART至RS-232接口，可以用ADM3202等器件代替FT232R收發(fā)器，前者需采用3 V電源供電。對于更寬的溫度范圍，可以使用其它熱電偶，例如J型熱電偶。為使冷結(jié)補(bǔ)償誤差最小，可以讓一個(gè)熱敏電阻與實(shí)際的冷結(jié)接觸，而不是把它放在PCB上。

針對冷結(jié)溫度測量，可以用一個(gè)外部數(shù)字溫度傳感器來代替RTD和外部基準(zhǔn)電阻。例如，ADT7410可以通過I2C接口連接到ADuCM360/ADuCM361。

有關(guān)冷結(jié)補(bǔ)償?shù)母嘈畔?，請參閱ADI公司的《信號調(diào)理》第7章“溫度傳感器”。

如果USB連接器與本電路之間需要隔離，則應(yīng)增加隔離器件ADuM3160/ADuM4160。

常見變化

ADP1720 可以代替ADP120調(diào)節(jié)器，前者具有同樣的工作溫度范圍(−40°C至+125°C)，功耗更低(典型值為35A，后者為70A)且具有更低的最大輸入電壓。請注意，ADuCM360/ADuCM361可以通過標(biāo)準(zhǔn)串行線接口編程或調(diào)試。

對于標(biāo)準(zhǔn)UART至RS-232接口，可以用ADM3202等器件代替FT232R收發(fā)器，前者需采用3 V電源供電。對于更寬的溫度范圍，可以使用其它熱電偶，例如J型熱電偶。為使冷結(jié)補(bǔ)償誤差最小，可以讓一個(gè)熱敏電阻與實(shí)際的冷結(jié)接觸，而不是把它放在PCB上。

針對冷結(jié)溫度測量，可以用一個(gè)外部數(shù)字溫度傳感器來代替RTD和外部基準(zhǔn)電阻。例如，ADT7410可以通過I2C接口連接到ADuCM360/ADuCM361。

有關(guān)冷結(jié)補(bǔ)償?shù)母嘈畔?，請參閱ADI公司的《信號調(diào)理》第7章“溫度傳感器”。

如果USB連接器與本電路之間需要隔離，則應(yīng)增加隔離器件ADuM3160/ADuM4160。

圖7. 用于在熱電偶完整輸出電壓范圍內(nèi)校準(zhǔn)和測試電路的設(shè)置

RTD測量測試

為評估RTD電路和線性化源代碼，以精確可調(diào)節(jié)的源電阻替代板上的RTD。采用儀器為1433-Z Decade Resistor。RTD值在90Ω至140Ω之間，表示的RTD溫度范圍為−25°C至+114°C。

圖8表示測試設(shè)置電路，圖9表示RTD測試的誤差結(jié)果。

圖8. 用于測量RTD誤差的測試設(shè)置

圖9. RTD測量誤差，以°C表示(采用分段線性代碼和ADC0測量)