基于Cortex-M3的微控制器熱電偶測(cè)量系統(tǒng)

　器件連接/參考

　　ADuCM360:基于Cortex-M3的微控制器，內(nèi)置雙通道24位Σ-Δ型ADC

　　ADP1720-3.3:低壓差線性穩(wěn)壓器

　　評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

　　電路評(píng)估板

　　CN-0300評(píng)估板（EVAL-CN0300-EB1Z）包含USB-SWD/UART和SEGGER J-Link Lite電路板

　　設(shè)計(jì)和集成文件

　　原理圖、布局文件、物料清單、ADuCM360源代碼

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　本電路在精密熱電偶溫度監(jiān)控應(yīng)用中使用ADuCM360精密模擬微控制器，并相應(yīng)地控制4 mA至20 mA的輸出電流。ADuCM360集成雙通道24位Σ-Δ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)置基準(zhǔn)電壓源以及ARM Cortex-M3內(nèi)核、126 KB閃存、8 KB SRAM和各種數(shù)字外設(shè)，例如UART、定時(shí)器、SPI和I2C接口。

　　在該電路中，ADuCM360連接到一個(gè)T型熱電偶和一個(gè)100 Ω鉑電阻溫度檢測(cè)器（RTD）。RTD用于冷結(jié)補(bǔ)償。低功耗Cortex-M3內(nèi)核將ADC讀數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值。支持的T型溫度范圍是200°C至+350°C,而此溫度范圍所對(duì)應(yīng)的輸出電流范圍是4 mA至20 mA.

　　該電路為熱電偶測(cè)量提供了完整的解決方案，所需外部元件極少，并且可針對(duì)高達(dá)28 V的環(huán)路電壓采用環(huán)路供電。

　　圖1. 具有熱電偶接口、用作溫度監(jiān)控器控制器的ADuCM360（原理示意圖，未顯示所有連接）

　　電路描述

　　本應(yīng)用中用到ADuCM360的下列特性：

　　12位DAC輸出及其靈活的片內(nèi)輸出緩沖器用于控制外部NPN晶體管BC548.通過(guò)控制此晶體管的VBE電壓，可將經(jīng)過(guò)47 Ω負(fù)載電阻的電流設(shè)置為所需的值。

　　DAC為12位單調(diào)式，但其輸出精度通常在3 LSB左右。此外，雙極性晶體管引入了線性誤差。為提高DAC輸出的精度并消除失調(diào)和增益端點(diǎn)誤差，ADC0會(huì)測(cè)量反饋電壓，從而反映負(fù)載電阻（RLOAD）兩端的電壓。根據(jù)此ADC0讀數(shù)，DAC輸出將通過(guò)源代碼糾正。這樣就針對(duì)4 mA至20 mA的輸出提供了±0.5°C的精度。

　　24位Σ-Δ型ADC內(nèi)置PGA,在軟件中為熱電偶和RTD設(shè)置32的增益。ADC1在熱電偶與RTD電壓采樣之間連續(xù)切換。

　　可編程激勵(lì)電流源驅(qū)動(dòng)受控電流流過(guò)RTD.雙通道電流源可在0 μA至2 mA范圍內(nèi)以一定的階躍進(jìn)行配置。本例使用200 μA設(shè)置，以便將RTD自熱效應(yīng)引起的誤差降至最小。

　　ADuCM360中的ADC內(nèi)置了1.2 V基準(zhǔn)電壓源。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源精度高，適合測(cè)量熱電偶電壓。

　　ADuCM360中ADC的外部基準(zhǔn)電壓源。測(cè)量RTD電阻時(shí)，我們采用比率式設(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。由于該電路中的基準(zhǔn)電壓源為高阻抗，因此需要使能片內(nèi)基準(zhǔn)電壓輸入緩沖器。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓緩沖器意味著無(wú)需外部緩沖器即可將輸入泄漏影響降至最低。

　　偏置電壓發(fā)生器（VBIAS）。VBIAS功能用于將熱電偶共模電壓設(shè)置為AVDD/2 （900 mV）。同樣，這樣便無(wú)需外部電阻，便可以設(shè)置熱電偶共模電壓。

　　ARM Cortex-M3內(nèi)核。功能強(qiáng)大的32位ARM內(nèi)核集成了126 KB閃存和8 KB SRAM存儲(chǔ)器，用來(lái)運(yùn)行用戶代碼，可配置和控制ADC,并利用ADC將熱電偶和RTD輸入轉(zhuǎn)換為最終的溫度值。它還可以利用來(lái)自AIN9電壓電平的閉環(huán)反饋控制并持續(xù)監(jiān)控DAC輸出。出于額外調(diào)試目的，它還可以控制UART/USB接口上的通信。

　　UART用作與PC主機(jī)的通信接口。這用于對(duì)片內(nèi)閃存進(jìn)行編程。它還可作為調(diào)試端口，用于校準(zhǔn)DAC和ADC.

　　兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)用來(lái)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將進(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(guò)UART接口可以對(duì)內(nèi)部閃存重新編程。

　　J1連接器是一個(gè)8引腳雙列直插式連接器，與CN0300支持硬件隨附的USB-SWD/UART板相連。配合J-Link-Lite板可對(duì)此應(yīng)用電路板進(jìn)行編程和調(diào)試。參見(jiàn)圖3.

　　熱電偶和RTD產(chǎn)生的信號(hào)均非常小，因此需要使用可編程增益放大器（PGA）來(lái)放大這些信號(hào)。

　　本應(yīng)用使用的熱電偶為T型（銅-康銅），其溫度范圍為？200°C至+350°C,靈敏度約為40 μV/°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用于冷結(jié)補(bǔ)償。本電路使用的RTD為100 Ω鉑RTD,型號(hào)為Enercorp PCS 1.1503.1.它采用0805表貼封裝，溫度變化率為0.385 Ω/°C.

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

　　本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板（PCB）上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)（請(qǐng)參考指南MT-031--“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)”、指南MT-101--“去耦技術(shù)”以及ADuCM360TCZ評(píng)估板布局）。

　　評(píng)估本電路所用的PCB如圖2所示。

　　圖2. 本電路所用的EVAL-CN0300-EB1Z板

　　圖3. 連接至USB-SWD/UART板和SEGGER J-Link-Lite板的EVAL-CN0300-EB1Z板

　　代碼的校準(zhǔn)部分

　　圖3顯示了USB-SWD/UART板。此板用作PC USB端口的接口板。該USB端口可用于通過(guò)基于UART的下載器對(duì)器件進(jìn)行編程。它也可用于連接PC上的COM端口（虛擬串行端口）。這是運(yùn)行校準(zhǔn)程序所需要的條件。

　　J-Link-Lite插入U(xiǎn)SB-SWD/UART板的20引腳連接器中。J-Link-Lite提供代碼調(diào)試和編程支持。它通過(guò)另一個(gè)USB連接器連接至PC.

　　代碼說(shuō)明

　　用于測(cè)試本電路的源代碼可從ADuCM360產(chǎn)品頁(yè)面下載（zip壓縮文件）。源代碼使用示例代碼隨附的函數(shù)庫(kù)。圖4顯示了利用Keil μVision4工具查看時(shí)項(xiàng)目中所用的源文件列表。

　　圖4. μVision4中查看的源文件

　　可調(diào)整編譯器#define值（calibrateADC1和calibrateDAC），以使能或禁用ADC和DAC的校準(zhǔn)程序。

　　要校準(zhǔn)ADC或DAC,接口板（USB-SWD/UART）必須連接至J1和PC上的USB端口?？墒褂?ldquo;超級(jí)終端”等COM端口查看程序來(lái)查看校準(zhǔn)菜單并逐步執(zhí)行校準(zhǔn)程序。

　　校準(zhǔn)ADC時(shí)，源代碼會(huì)提示用戶將零電平和滿量程電壓連接至AIN2和AIN3.注意，AIN2是正輸入端。完成校準(zhǔn)程序后，ADC1INTGN和ADC1OF寄存器的新校準(zhǔn)值就會(huì)存儲(chǔ)到內(nèi)部閃存中。

　　校準(zhǔn)DAC時(shí)，應(yīng)通過(guò)精確的電流表連接VLOOP+輸出端。DAC校準(zhǔn)程序的第一部分校準(zhǔn)DAC以設(shè)置4 mA輸出，第二部分則校準(zhǔn)DAC以設(shè)置20 mA輸出。用于設(shè)置4 mA和20 mA輸出的DAC代碼會(huì)存儲(chǔ)到閃存中。針對(duì)最終的4 mA和20 mA設(shè)置在AIN9處測(cè)得的電壓也會(huì)記錄下來(lái)并存儲(chǔ)到閃存中。由于在AIN9處的電壓與流經(jīng)RLOOP的電流線性相關(guān)，因此這些值會(huì)用于計(jì)算DAC的調(diào)整因子。這種閉環(huán)方案意味著，可以使用片內(nèi)24位Σ-Δ型ADC進(jìn)行微調(diào)而消除DAC和基于晶體管的電路上的所有線性誤差。

　　UART配置為波特率9600、8數(shù)據(jù)位、無(wú)極性、無(wú)流量控制。如果本電路直接與PC相連，則可使用“超級(jí)終端”等通信端口查看程序來(lái)查看該程序發(fā)送給UART的結(jié)果，如圖5所示。

　　要輸入校準(zhǔn)程序所需的字符，請(qǐng)?jiān)诓榭唇K端中鍵入所需字符，然后ADuCM360 UART端口就會(huì)收到該字符。

　　5. 校準(zhǔn)DAC時(shí)的“超級(jí)終端”輸出

　　代碼的溫度測(cè)量部分

　　要獲得溫度讀數(shù)，應(yīng)測(cè)量熱電偶和RTD的溫度。RTD溫度通過(guò)一個(gè)查找表轉(zhuǎn)換為其等效熱電偶電壓（T型熱電偶請(qǐng)參見(jiàn)ISE, Inc.的ITS-90表）。將這兩個(gè)電壓相加，便可得到熱電偶電壓的絕對(duì)值。

　　首先，測(cè)量熱電偶兩條線之間的電壓（V1）。測(cè)量RTD電壓并通過(guò)查找表轉(zhuǎn)換為溫度，然后再將此溫度轉(zhuǎn)換為其等效熱電偶電壓（V2）。然后，將V1和V2相加，以得出整體熱電偶電壓，接著將此值轉(zhuǎn)換為最終的溫度測(cè)量結(jié)果。

　　對(duì)熱電偶而言，固定數(shù)量的電壓所對(duì)應(yīng)的溫度會(huì)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中。其間的溫度值利用相鄰點(diǎn)的線性插值法計(jì)算。

　　圖6顯示了使用ADuCM360上的ADC1測(cè)量整個(gè)熱電偶工作范圍內(nèi)的52個(gè)熱電偶電壓時(shí)獲得的誤差。最差情況的總誤差小于1°C.

　　圖6. 通過(guò)分段線性逼近法利用ADuCM360/ADuCM361所測(cè)52個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)的誤差

　　RTD溫度是運(yùn)用查找表計(jì)算出來(lái)的，并且對(duì)RTD的運(yùn)用方式與對(duì)熱電偶一樣。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。

　　有關(guān)線性化和實(shí)現(xiàn)RTD最佳性能的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記AN-0970“利用ADuC706x微控制器實(shí)現(xiàn)RTD接口和線性化”.

　　代碼的溫度至電流輸出部分

　　測(cè)得最終溫度后，將DAC輸出電壓設(shè)置為適當(dāng)?shù)闹担员阍赗LOOP上產(chǎn)生所需的電流。輸入溫度范圍應(yīng)該是？200°C至+350°C.代碼針對(duì)？200°C和+350°C設(shè)置的輸出電流分別是4 mA和20 mA.代碼實(shí)施的是閉環(huán)方案，如圖7所示，其中AIN9上的反饋電壓通過(guò)ADC0測(cè)量，然后此值用于補(bǔ)償DAC輸出設(shè)置。FineTuneDAC（void）函數(shù)執(zhí)行此項(xiàng)校正。

　　為獲得最佳結(jié)果，應(yīng)在開(kāi)始該電路的性能測(cè)試前校準(zhǔn)DAC.

　　圖7. 閉環(huán)控制4 mA至20 mA的DAC輸出

　　出于調(diào)試目的，以下字符串會(huì)在正常工作期間發(fā)送至UART（見(jiàn)圖8）。

　　圖8. 用于調(diào)試的UART字符串

　　常見(jiàn)變化

　　對(duì)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(duì)于更寬的溫度范圍，可以使用不同的熱電偶，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，而不是將其放在PCB上。

　　針對(duì)冷結(jié)溫度測(cè)量，可以用一個(gè)外部數(shù)字溫度傳感器來(lái)代替RTD和外部基準(zhǔn)電阻。例如，ADT7410可以通過(guò)I2C接口連接到ADuCM360.

　　有關(guān)冷結(jié)補(bǔ)償?shù)母嘣斍?，?qǐng)參考ADI公司的《傳感器信號(hào)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，則必須增加ADuM3160/ADuM4160隔離器件。

　　電路評(píng)估與測(cè)試

　　電流輸出測(cè)量

　　DAC和外部電壓電流轉(zhuǎn)換器電路性能測(cè)試全都一起完成。

　　一個(gè)電流表與VLOOP+連接串聯(lián)，如圖1所示。所用的電流表為HP 34401A.執(zhí)行初始校準(zhǔn)和使用VDAC輸出的閉環(huán)控制時(shí)的電路性能導(dǎo)致DAC輸出電路報(bào)告的溫度值為0.5°C.借助24位ADC,DAC和外部晶體管電路的非線性誤差可以調(diào)零。因?yàn)闇囟仁且粋€(gè)變化較慢的輸入?yún)?shù)，所以此閉環(huán)方案非常適合這種應(yīng)用。圖9顯示了未采用閉環(huán)控制（ADC0沒(méi)有用于補(bǔ)償DAC輸出）時(shí)的理想DAC輸出（藍(lán)色）和實(shí)際DAC輸出。未采用閉環(huán)控制時(shí)的誤差可能會(huì)大于10°C.

　　圖9. 溫度（°C）與輸出電流（mA）的關(guān)系（藍(lán)色 = 理想值，開(kāi)環(huán)操作：未補(bǔ)償DAC輸出）

　　圖10顯示了按推薦方式采用閉環(huán)控制時(shí)的相同信息。誤差非常微小，與理想值相差不到0.5°C.

　　圖10. 溫度（°C）與輸出電流（mA）的關(guān)系（藍(lán)色 = 理想值，閉環(huán)操作：通過(guò)ADC0測(cè)量補(bǔ)償DAC輸出）

　　熱電偶測(cè)量測(cè)試

　　基本測(cè)試設(shè)置如圖11所示。熱電偶連接至J2.

　　使用兩種方法來(lái)評(píng)估本電路的性能。首先使用連接到電路板的熱電偶來(lái)測(cè)量冰桶的溫度，然后測(cè)量沸水的溫度。使用Wavetek 4808多功能校準(zhǔn)儀來(lái)充分評(píng)估誤差，如圖11所示。這種模式下，校準(zhǔn)儀代替熱電偶作為電壓源。為了評(píng)估T型熱電偶的整個(gè)范圍，利用校準(zhǔn)儀設(shè)置T型熱電偶？200°C至+350°C的正負(fù)溫度范圍之間52個(gè)點(diǎn)的等效熱電偶電壓（T型熱電偶請(qǐng)參見(jiàn)ISE, Inc.的ITS-90表）。圖6顯示了測(cè)試結(jié)果。

　　圖11. 用于在整個(gè)熱電偶輸出電壓范圍內(nèi)校準(zhǔn)和測(cè)試電路的設(shè)置

　　RTD測(cè)量測(cè)試

　　為了評(píng)估RTD電路和線性化源代碼，以精確的可調(diào)電阻源代替了電路板上的RTD.所用的儀器是1433-Z十進(jìn)制電阻。RTD值的范圍是90 Ω至140 Ω，代表？25°C至+114°C的RTD溫度范圍。

　　圖12顯示了RTD測(cè)量的測(cè)試設(shè)置電路，圖13則顯示了RTD測(cè)試的誤差結(jié)果。

　　圖 12. RTD誤差測(cè)量的測(cè)試設(shè)置

　　圖13. 使用分段線性代碼和ADC0測(cè)量結(jié)果進(jìn)行RTD測(cè)量時(shí)的°C誤差

　　電流測(cè)量測(cè)試

　　正常工作時(shí)，整個(gè)電路的功耗通常為2.25 mA.保持在復(fù)位狀態(tài)時(shí)，整個(gè)電路的功耗不到600 μA.