完整閉環(huán)精密模擬微控制器熱電偶測(cè)量系統(tǒng) - 全文

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

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

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KeilμVision4工具查看時(shí)項(xiàng)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(zhǔn)部分

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。可使用“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∑-△型型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。

圖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。

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?，以?在RLOOP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（見圖8）。

圖8. 用于調(diào)試的UART字符串

常見變化

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。

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)變化較慢的輸入參數(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90Ω 至140Ω ，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600μA。