采用ARM Cortex-M3的USB熱電偶溫度測量系統(tǒng)電路圖

　　電路功能與優(yōu)勢

　　本電路顯示如何在精密熱電偶溫度監(jiān)控應(yīng)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(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)部基準(zhǔn)電壓源、ARM Cortex-M3內(nèi)核、126 kB閃存、8 kB SRAM以及各種數(shù)字外設(shè)，例如UART、定時器、SPI和I2C接口等。

　　在本電路中，ADuCM360/ADuCM361連接到一個熱電偶和一個100 鉑電阻溫度檢測器（RTD）。RTD用于執(zhí)行冷結(jié)補償。

　　在源代碼中，ADC采樣速率選擇4 Hz。當(dāng)ADC輸入可編程增益放大器（PGA）的增益配置為32時，ADuCM360/ADuCM361的無噪聲代碼分辨率大于18位。

　　圖1. ADuCM360/ADuCM361用作溫度監(jiān)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(yīng)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(xù)切換。

　　- 可編程激勵電流源，用來驅(qū)動受控電流流經(jīng)RTD。雙通道電流源可在0A至2mA范圍內(nèi)配置。本例使用200A設(shè)置，以便將RTD自熱效應(yīng)引起的誤差降至最小。

　　- ADuCM360/ADuCM361中的ADC內(nèi)置1.2V基準(zhǔn)電壓源。它的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源精度高，適合測量熱電偶電壓。

　　- ADuCM360/ADuCM361中的ADC內(nèi)置外部電壓基準(zhǔn)電壓源。它可測量RTD電阻；采用比率式設(shè)置，將一個外部基準(zhǔn)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(shè)置為AVDD/2。

　　- ARMCortex-M3內(nèi)核。功能強大的32位ARM內(nèi)核集成了126kB閃存和8kBSRAM存儲器，用來運行用戶代碼，可配置并控制ADC，通過RTD處理ADC轉(zhuǎn)換，以及控制UART/USB接口的通信。

　　- UART用作與PC主機的通信接口。

　　- 兩個外部開關(guān)用來強制該器件進入閃存引導(dǎo)模式。使SD處于低電平，同時切換RESET按鈕，ADuCM360/ADuCM361便進入引導(dǎo)模式，而不是正常的用戶模式。在引導(dǎo)模式下，通過UART接口可以對內(nèi)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來放大這些信號。

　　本應(yīng)用使用的熱電偶為T（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溫度范圍。

　　RTD用于執(zhí)行冷結(jié)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(zhǔn)電阻RREF應(yīng)為精密5.6kΩ （±0.1%）電阻。

　　ADuCM360/ADuCM361的USB接口通過FT232R UART轉(zhuǎn)USB收發(fā)器實現(xiàn)，它將USB信號直接轉(zhuǎn)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增強EMI/RFI保護功能。本電路所用鐵氧體磁珠為Taiyo Yuden #BK2125HS102-T，它在100 MHz時的阻抗為1000Ω。

　　本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層印刷電路板（PCB）上。為實現(xiàn)最佳性能，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)（請參考教程MT-031——實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開“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

　　代碼說明

　　用于測試本電路的源代碼可從ADuCM360產(chǎn)品頁面下載（zip壓縮文件）。

　　UART配置為波特率9600、8數(shù)據(jù)位、無極性、無流量控制。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查看該程序發(fā)送給UART的結(jié)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(shù)。通過查找表，將RTD溫度轉(zhuǎn)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是熱電偶兩條線之間測得的電壓。通過查找表，測量RTD電壓并轉(zhuǎn)換為溫度值；然后，該溫度值再轉(zhuǎn)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(shù)值經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為最終的溫度測量值。

　　圖4. 使用簡單線性逼近法時的誤差

　　最初，這一轉(zhuǎn)換是基于一個簡單的線性假設(shè)：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(zhuǎn)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。這需要進行數(shù)學(xué)運算，導(dǎo)致計算時間和碼字大小增加。適當(dāng)?shù)恼壑允轻槍潭〝?shù)量的電壓計算相應(yīng)的溫度，然后將這些溫度存儲在一個數(shù)組中，其間的值利用相鄰點的線性插值法計算。從圖5可以看出，使用這種方法時誤差顯著降低。圖5表示使用理想熱電偶電壓的算法誤差。

　　圖5. 使用分段線性逼近法時的誤差

　　圖6表示在ADuCM360上采用ADC1測量全熱電偶工作范圍內(nèi)的52個熱電偶電壓，所產(chǎn)生的誤差。整體最大的誤差為1°C。

　　圖6. 使用分段線性逼近法時的誤差（采用ADuCM360/ADuCM361測量的52個校準(zhǔn)點）

　　像熱電偶一樣，RTD溫度可使用查找表的方法計算與實現(xiàn)。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。

　　欲了解有關(guān)線性化和實現(xiàn)RTD最佳性能的詳細信息，請參考應(yīng)用筆記AN-0970：利用ADuC706x微控制器實現(xiàn)RTD接口和線性化。

　　常見變化

　　ADP1720 可以代替ADP120調(diào)節(jié)器，前者具有同樣的工作溫度范圍（−40°C至+125°C），功耗更低（典型值為35A，后者為70A）且具有更低的最大輸入電壓。請注意，ADuCM360/ADuCM361可以通過標(biāo)準(zhǔn)串行線接口編程或調(diào)試。

　　對于標(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。對于更寬的溫度范圍，可以使用其它熱電偶，例如J型熱電偶。為使冷結(jié)補償誤差最小，可以讓一個熱敏電阻與實際的冷結(jié)接觸，而不是把它放在PCB上。

　　針對冷結(jié)溫度測量，可以用一個外部數(shù)字溫度傳感器來代替RTD和外部基準(zhǔn)電阻。例如，ADT7410可以通過I2C接口連接到ADuCM360/ADuCM361。

　　有關(guān)冷結(jié)補償?shù)母嘈畔?，請參?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/ADI">ADI公司的《信號調(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，則應(yīng)增加隔離器件ADuM3160/ADuM4160。