基于Cortex-M3的微控制器熱電偶測量系統

作者：時(shí)間：2013-01-15 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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　器件連接/參考

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/192859.htm

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

　　ADP1720-3.3:低壓差線(xiàn)性穩壓器

　　評估和設計支持

　　電路評估板

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

　　設計和集成文件

　　原理圖、布局文件、物料清單、ADuCM360源代碼

　　電路功能與優(yōu)勢

　　本電路在精密熱電偶溫度監控應用中使用ADuCM360精密模擬微控制器，并相應地控制4 mA至20 mA的輸出電流。ADuCM360集成雙通道24位Σ-Δ型模數轉換器（ADC）、雙通道可編程電流源、12位數模轉換器（DAC）、1.2 V內置基準電壓源以及ARM Cortex-M3內核、126 KB閃存、8 KB SRAM和各種數字外設，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鉑電阻溫度檢測器（RTD）。RTD用于冷結補償。低功耗Cortex-M3內核將ADC讀數轉換為實(shí)際溫度值。支持的T型溫度范圍是200°C至+350°C,而此溫度范圍所對應的輸出電流范圍是4 mA至20 mA.

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

具有熱電偶接口、用作溫度監控器控制器的ADuCM360

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

　　電路描述

　　本應用中用到ADuCM360的下列特性：

　　12位DAC輸出及其靈活的片內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負載電阻的電流設置為所需的值。

　　DAC為12位單調式，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(xiàn)性誤差。為提高DAC輸出的精度并消除失調和增益端點(diǎn)誤差，ADC0會(huì )測量反饋電壓，從而反映負載電阻（RLOAD）兩端的電壓。根據此ADC0讀數，DAC輸出將通過(guò)源代碼糾正。這樣就針對4 mA至20 mA的輸出提供了±0.5°C的精度。

　　24位Σ-Δ型ADC內置PGA,在軟件中為熱電偶和RTD設置32的增益。ADC1在熱電偶與RTD電壓采樣之間連續切換。

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

　　ADuCM360中的ADC內置了1.2 V基準電壓源。內部基準電壓源精度高，適合測量熱電偶電壓。

　　ADuCM360中ADC的外部基準電壓源。測量RTD電阻時(shí)，我們采用比率式設置，將一個(gè)外部基準電阻（RREF）連接在外部VREF+和VREF?引腳上。由于該電路中的基準電壓源為高阻抗，因此需要使能片內基準電壓輸入緩沖器。片內基準電壓緩沖器意味著(zhù)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置為AVDD/2 （900 mV）。同樣，這樣便無(wú)需外部電阻，便可以設置熱電偶共模電壓。

　　ARM Cortex-M3內核。功能強大的32位ARM內核集成了126 KB閃存和8 KB SRAM存儲器，用來(lái)運行用戶(hù)代碼，可配置和控制ADC,并利用ADC將熱電偶和RTD輸入轉換為最終的溫度值。它還可以利用來(lái)自AIN9電壓電平的閉環(huán)反饋控制并持續監控DAC輸出。出于額外調試目的，它還可以控制UART/USB接口上的通信。

　　UART用作與PC主機的通信接口。這用于對片內閃存進(jìn)行編程。它還可作為調試端口，用于校準DAC和ADC.

　　兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)用來(lái)強制該器件進(jìn)入閃存引導模式。使SD處于低電平，同時(shí)切換RESET按鈕，ADuCM360將進(jìn)入引導模式，而不是正常的用戶(hù)模式。在引導模式下，通過(guò)UART接口可以對內部閃存重新編程。

　　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板可對此應用電路板進(jìn)行編程和調試。參見(jiàn)圖3.

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

　　本應用使用的熱電偶為T(mén)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(zhù)ADC在雙極性模式和32倍PGA增益設置下可以覆蓋熱電偶的整個(gè)溫度范圍。

　　RTD用于冷結補償。本電路使用的RTD為100 Ω鉑RTD,型號為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，基準電阻RREF必須為精密5.6 kΩ （±0.1%）電阻。

　　本電路必須構建在具有較大面積接地層的多層電路板（PCB）上。為實(shí)現最佳性能，必須采用適當的布局、接地和去耦技術(shù)（請參考指南MT-031--“實(shí)現數據轉換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團”、指南MT-101--“去耦技術(shù)”以及ADuCM360TCZ評估板布局）。

　　評估本電路所用的PCB如圖2所示。

本電路所用的EVAL-CN0300-EB1Z板

　　圖2. 本電路所用的EVAL-CN0300-EB1Z板

連接至USB-SWD/UART板和SEGGER J-Link-Lite板的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）。這是運行校準程序所需要的條件。

　　J-Link-Lite插入USB-SWD/UART板的20引腳連接器中。J-Link-Lite提供代碼調試和編程支持。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庫。圖4顯示了利用Keil μVision4工具查看時(shí)項目中所用的源文件列表。

μVision4中查看的源文件

　　圖4. μVision4中查看的源文件

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

　　要校準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;超級終端”等COM端口查看程序來(lái)查看校準菜單并逐步執行校準程序。

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

　　校準DAC時(shí)，應通過(guò)精確的電流表連接VLOOP+輸出端。DAC校準程序的第一部分校準DAC以設置4 mA輸出，第二部分則校準DAC以設置20 mA輸出。用于設置4 mA和20 mA輸出的DAC代碼會(huì )存儲到閃存中。針對最終的4 mA和20 mA設置在A(yíng)IN9處測得的電壓也會(huì )記錄下來(lái)并存儲到閃存中。由于在A(yíng)IN9處的電壓與流經(jīng)RLOOP的電流線(xiàn)性相關(guān)，因此這些值會(huì )用于計算DAC的調整因子。這種閉環(huán)方案意味著(zhù)，可以使用片內24位Σ-Δ型ADC進(jìn)行微調而消除DAC和基于晶體管的電路上的所有線(xiàn)性誤差。

　　UART配置為波特率9600、8數據位、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的結果，如圖5所示。

使用“超級終端”等通信端口查看程序來(lái)查看該程序發(fā)送給UART的結果