采用Cortex-M3的12位4-20mA環(huán)路供電型熱電偶測量系統

　　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∑-△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。

　　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)47Ω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0μA至2 mA范圍內以一定的階躍進(jìn)行配置。本例使用200μA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 KBSRAM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40ΩV/°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100Ω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。

　　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

　　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KeilμVision4工具查看時(shí)項目中所用的源文件列表。

　　圖4. Vision4中查看的源文件

　　代碼的校準部分

　　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∑-△型型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。

　　要輸入校準程序所需的字符，請在查看終端中鍵入所需字符，然后ADuCM360 UART端口就會(huì )收到該字符。

　　圖5. 校準DAC時(shí)的“超級終端”輸出

　　代碼的溫度測量部分

　　要獲得溫度讀數，應測量熱電偶和RTD的溫度。RTD溫度通過(guò)一個(gè)查找表轉換為其等效熱電偶電壓（T型熱電偶請參見(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值。

　　首先，測量熱電偶兩條線(xiàn)之間的電壓（V1）。測量RTD電壓并通過(guò)查找表轉換為溫度，然后再將此溫度轉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(zhù)將此值轉換為最終的溫度測量結果。

　　對熱電偶而言，固定數量的電壓所對應的溫度會(huì )存儲在一個(gè)數組中。其間的溫度值利用相鄰點(diǎn)的線(xiàn)性插值法計算。

　　圖6顯示了使用 ADuCM360上的ADC1測量整個(gè)熱電偶工作范圍內的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(xiàn)性逼近法利用ADuCM360/ADuCM361所測52個(gè)校準點(diǎn)時(shí)的誤差

　　RTD溫度是運用查找表計算出來(lái)的，并且對RTD的運用方式與對熱電偶一樣。注意，描述RTD溫度與電阻關(guān)系的多項式與描述熱電偶的多項式不同。

　　有關(guān)線(xiàn)性化和實(shí)現RTD最佳性能的詳細信息，請參考 應用筆記AN-0970“利用ADuC706x微控制器實(shí)現RTD接口和線(xiàn)性化”。

　　代碼的溫度至電流輸出部分

　　測得最終溫度后，將DAC輸出電壓設置為適當的值，以便在RLOOP上產(chǎn)生所需的電流。輸入溫度范圍應該是−200°C 至+350°C。代碼針對−200°C和+350°C設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測量，然后此值用于補償 DAC輸出設置。FineTuneDAC（void）函數執行此項校正。

　　為獲得最佳結果，應在開(kāi)始該電路的性能測試前校準 DAC。

　　圖7. 閉環(huán)控制4 mA至20 mA的DAC輸出

　　出于調試目的，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. 用于調試的UART字符串

　　常見(jiàn)變化

　　對于標準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，可以使用不同的熱電偶，例如J型熱電偶。為使冷結補償誤差最小，可以讓一個(gè)熱敏電阻與實(shí)際的冷結接觸，而不是將其放在PCB上。

　　針對冷結溫度測量，可以用一個(gè)外部數字溫度傳感器來(lái)代替RTD和外部基準電阻。例如， ADT7410 可以通過(guò)I2C接口連接到ADuCM360。

　　有關(guān)冷結補償的更多詳情，請參考ADI公司的《傳感器信號調理》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。