采用ARM Cortex-M3的USB熱電偶溫度測量系統電路圖

作者：時(shí)間：2017-10-31 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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　　電路功能與優(yōu)勢

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201710/369760.htm

　　本電路顯示如何在精密熱電偶溫度監控應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內部基準電壓源、ARM Cortex-M3內核、126 kB閃存、8 kB SRAM以及各種數字外設，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用于執行冷結補償。

　　在源代碼中，ADC采樣速率選擇4 Hz。當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(wú)噪聲代碼分辨率大于18位。

　　圖1. ADuCM360/ADuCM361用作溫度監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切換。

　　- 可編程激勵電流源，用來(lái)驅動(dòng)受控電流流經(jīng)RTD。雙通道電流源可在0A至2mA范圍內配置。本例使用200A設置，以便將RTD自熱效應引起的誤差降至最小。

　　- ADuCM360/ADuCM361中的ADC內置1.2V基準電壓源。它的內部基準電壓源精度高，適合測量熱電偶電壓。

　　- ADuCM360/ADuCM361中的ADC內置外部電壓基準電壓源。它可測量RTD電阻；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。

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

　　- ARMCortex-M3內核。功能強大的32位ARM內核集成了126kB閃存和8kBSRAM存儲器，用來(lái)運行用戶(hù)代碼，可配置并控制ADC，通過(guò)RTD處理ADC轉換，以及控制UART/USB接口的通信。

　　- UART用作與PC主機的通信接口。

　　- 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/ADuCM361便進(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。

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

　　本應用使用的熱電偶為T(mén)（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(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用于執行冷結補償。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，基準電阻RREF應為精密5.6kΩ （±0.1%）電阻。

　　ADuCM360/ADuCM361的USB接口通過(guò)FT232R UART轉USB收發(fā)器實(shí)現，它將USB信號直接轉換為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(lái)增強EMI/RFI保護功能。本電路所用鐵氧體磁珠為T(mén)aiyo Yuden #BK2125HS102-T，它在100 MHz時(shí)的阻抗為1000Ω。

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

　　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(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）。

　　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，則可以使用“超級終端” （HyperTerminal）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。通過(guò)查找表，將RTD溫度轉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(xiàn)之間測得的電壓。通過(guò)查找表，測量RTD電壓并轉換為溫度值；然后，該溫度值再轉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，此數值經(jīng)轉換后作為最終的溫度測量值。

　　圖4. 使用簡(jiǎn)單線(xiàn)性逼近法時(shí)的誤差

　　最初，這一轉換是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性假設：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，如此轉換所產(chǎn)生的誤差才是可以接受的。計算熱電偶溫度的更好方法是對正溫度使用6階多項式，對負溫度使用7階多項式。這需要進(jìn)行數學(xué)運算，導致計算時(shí)間和碼字大小增加。適當的折衷是針對固定數量的電壓計算相應的溫度，然后將這些溫度存儲在一個(gè)數組中，其間的值利用相鄰點(diǎn)的線(xiàn)性插值法計算。從圖5可以看出，使用這種方法時(shí)誤差顯著(zhù)降低。圖5表示使用理想熱電偶電壓的算法誤差。