高精度溫度芯片Si7051在熱電偶補償中的應用

　　王昌世（南昌溫度測控實驗室，南昌?330002）

　　摘?要：熱電偶(TC)測溫是溫控儀必備的功能。TC測溫需進行冷端溫度補償，補償?shù)木葲Q定著TC的測溫精度。本文要介紹的就是用Si7051所測量的TC冷端溫度，來對TC進行溫度補償，使TC的測溫精度能達到或接近0.1度℃。重點是講述用STM32F103CBT6單片機從I ² C總線讀取Si7051芯片中的溫度編碼值，即編程。涉及TC補償原理、Si7051與STM32單片機的I ² C接口電路與和程序流程。

　　關(guān)鍵詞：高精度熱電偶補償；Si7051；STM32F103；I ² C總線；程序流程

　　Si7051是一款較新的、性價比較高的器件，雖批量價僅為10 元/片,可經(jīng)試用，其對TC補償?shù)淖饔脜s很大，很有效。但目前，在國內(nèi)未見相關(guān)應用介紹（經(jīng)網(wǎng)上檢索）。想必，此文的創(chuàng)新應用，會助力國內(nèi)TC測溫技術(shù)的進步。

　　1 補償原理

　　把TC的兩端分為冷端（接入線路的那一端）和熱端（測溫對象所在端）。令TC冷端溫度為 Ct ，TC的輸出溫為 Tt ，則TC的熱端溫度（即測量溫度）Mt Ct Tt = + 。補償?shù)年P(guān)鍵在于冷端和Si7051感溫盡可能做到同溫。假如不完全相同，則應注意這個溫差校正。

　　此前，我們用LM75A溫度芯片測量 Ct 。但由于它的精度較低（在-20 ℃～+100 ℃全量程范圍，最大誤差達2 ℃，分辨率為0.5 ℃（即，其小數(shù)位只能是0或0.5）），使得Mt值不僅包含同樣的誤差，而且時常有0.5℃的跳變。這使得溫控儀達到0.1℃的控溫精度變得不可能。

　　2 Si7051介紹 ^[2]

　　此芯片由美國Silicon Labs(即芯科科技)公司生產(chǎn)，已先后發(fā)布8個版本，最新的1.15版，在2018-09發(fā)布。

　　2.1 主要性能特征

　　1）高精度。測溫精度分3段：

　　±0.1 ℃: +35.8 ℃～41 ℃（人體溫度范圍）；

　　±0.13 ℃: 20.0 ℃～70.0 ℃（準環(huán)境溫度范圍）；

　　±0.25 ℃: –40 ℃～+125 ℃（全量程）。

　　第2段是溫控儀（TC冷端）所在環(huán)境最常見的溫度范圍。

　　2）體積小，引腳少；

　　3 mm × 3 mm × 0.8 mm，DFN(Dual flat No-lead，即雙平面，無引線)封裝。6個引腳，見圖1。它的小的體積使其在用做溫度補償用時，易于在電路板（即PCB）上和TC的冷端一起放置；而在做人體（或其他對象）溫度計時，整體的體積可以很小。

　　3）接口電路的外圍元件少，接口簡單；

　　僅有1個去偶電容和2個上拉電阻。雖有6個引腳，但對外連線只有4根。DNC引腳可懸空或連到VDD腳。見電路圖2。

　　4）背面有感溫金屬平面；

　　大小為1.5 mm × 2.4 mm，見圖3。這個面能使它很好地感受TC冷端的溫度，達到與之同溫的目的。

　　3 電路設(shè)計

　　單片機選用STM32F103CBT6，它自帶有I ² C總線，這使得相關(guān)接口（包括編程）相對簡單。見圖2。原理圖雖不復雜，但作為TC 補償元件，要做到它和TC冷端準確同溫,卻并非易事,我們也是經(jīng)過多次改進,才達到的。具體做法是：①單獨做一塊小的PCB板（雙面，11 mmx7 mm，見圖3），通過插針與主板相連。在小板上，Si7051背面的感溫面下要開孔, 使感溫面能和冷端相對、相通?？椎拇笮∩孕∮诟袦孛?。注意看圖3。②此小板和和TC冷端并立在一起放置，并且要遠離板上的其他熱，見圖4。圖中，3線（棕、紅和黑3色）插頭是TC的冷端線，左邊立著的就是Si7051小板。③小板和TC冷端附近約30 mmx7 mm的PCB板區(qū)域內(nèi)不敷銅，以免多傳熱。

　　4 編程

　　編程本文的要點。

　　4.1 理解圖4的時序

　　文獻^[2]給出了讀取Si7051芯片的溫度編碼的I2C時序圖（經(jīng)英譯中）。此時序圖從左到右，分成了19個段（數(shù)字所示）。

　　此圖所涉及的相關(guān)技術(shù)術(shù)語參見文獻^[3-7]。幾點說明如下：

　　1）圖中的“主”是指主設(shè)備；從是指從設(shè)備（下同）。

　　2）第2段是“從地址”，指的是Si7051的從地址0x40；

　　3）第3段是“主將要寫操作”，指的是，在I2C總線上，出現(xiàn)Si7051的從地址0x40后，主設(shè)備是要發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)（第5段的0xf3）。注意這一段是一個位（bit）段且為0值，它附在第2段的0x40后面（100000B+0B= 10000000B）形成最終的0x80寫地址字節(jié)（與0x81的讀地址（如，第8、9段組合）對應。這一點很重要，編程時不要誤寫為0x40。

　　4）第9段是“主將要讀操作”，指的是.在I2C 總線上，出現(xiàn)Si7051的從地址0x40后，主設(shè)備是要從設(shè)備里讀取數(shù)據(jù)。這也是一個位段，但值為1，它附在第8段的0x40后面（100 0000B+1B=10000001B）形成最終的0x81讀地址字節(jié)。

　　5）第10段是“非應答（即NACK）”。對Si7051來說，這是一個特殊的位信號，它會一直持續(xù)高電平，直到片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。從這個信號發(fā)出算起，Si7051開始一次測溫的A/D轉(zhuǎn)換過程，具體轉(zhuǎn)換時間見參考文獻^[2]的第4頁的表2。 本程序用12ms延時來處理。程序在12毫秒后,繼續(xù)到第11段。

　　6）完成這個時序的全部操作后，得到的緊緊是2個字節(jié)（14位，最低2位不用）編碼，而不是溫度的實數(shù)值。實數(shù)溫度（℃）= （175.72×溫度編碼 / 66636）-46.84（式1） ^[2] 。

　　4.2 流程圖

　　用IAR7.2.05工具及ST（即意法半導體）公司在2011年發(fā)布的3.5.0的庫函數(shù)（一直未變）。該庫函數(shù)包含了32個I2C相關(guān)函數(shù)和諸多變量定義，可選擇使用，本程序用了其中的10個函數(shù)。

　　圖6是依據(jù)圖5的時序來編制的。有3點須說明：*相關(guān)函數(shù)注解詳見3.2.1。**限于篇幅，只用了一個菱形判斷圖作為示例，其他判斷處未用，但包含的流程相同,即如果不成功,則反復調(diào)用判斷函數(shù),直到成功。***延時程序一般是自編的，不調(diào)庫函數(shù),以便準確控制延時時間。

　　4.2.1 圖6相關(guān)庫函數(shù)說明

　　這里的序號即是圖6中的中函數(shù)編號一致。

　　1） void I2C_GenerateSTART(I2C_TypeDef*I2Cx, FunctionalState NewState)；

　　2)ErrorStatus I2C_CheckEvent(I2C_TypeDef*I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)；

　　3）void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef*I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction)；

　　4）void I2C_SendData(I2C_TypeDef* I2Cx,uint8_t Data)；

　　5）uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef*I2Cx)；

　　6）void I2C_GenerateSTOP(I2C_TypeDef* I2Cx,FunctionalState NewState)；

　　7）void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef*I2Cx, FunctionalState NewState)；

　　8）I2C_Init(I2C_TypeDef* I2Cx, I2C_InitTypeDef*I2C_InitStruct);

　　9 ） I 2 C _ C m d ( I 2 C _ T y p e D e f * I 2 C x ,FunctionalState NewState);

　　10）void I2C_DeInit(I2C_TypeDef* I2Cx);

　　另外，圖中的函數(shù)I2C_Configuration()通常是根據(jù)需要自編的，不是庫函數(shù)。

　　(1) 主程序Void Read_Si7051_Temperature(void)；

　　(2) 子程序 讀Si7051溫度編碼并計算攝氏溫度u8 I2C_Read(I2C_TypeDef *I2Cx，u8 I2C_Addr，u8 data，u8 *buf,u16 num)

　　5 結(jié)論

　　Si7051裝在線路板上，精度高、運行穩(wěn)。下面是一組實測數(shù)據(jù)（表3）：

　　測試條件說明：①地點：辦公室，對環(huán)境溫度測試；②工具：實驗室開發(fā)的SCTC溫控儀；RKC CH402圖6. 讀Si7051溫度編碼的程序流程圖(1) 主程序Void Read_Si7051_Temperature(void)；(2) 子程序 讀Si7051溫度編碼并計算攝氏溫度u8 I2C_Read(I2C_TypeDef *I2Cx，u8 I2C_Addr，u8 data，u8 *buf,u16 num)

　　日本產(chǎn)溫控儀，其上無小數(shù)顯示（對熱電偶）。測試分析：儀器每秒對Si7051和熱電偶同步采樣一次，數(shù)據(jù)記錄間隔是2 min。在18 min內(nèi)，Si7051測溫僅變化31.53-31.47=0.06(℃)，多數(shù)時間，只在小數(shù)點后第2位上有變。表明其精準、穩(wěn)定。SCTC測溫也僅變化30.53-30.20=0.33(℃)。這里，Si7051的測量的溫度要高于SCTC儀及RKC儀的測量溫度是因為PCB板上的氣溫要高于一般環(huán)境溫度。

　　以后還將一如既往地關(guān)注、實施溫度測控領(lǐng)域的新元件的應用，并把相關(guān)的研發(fā)成果及時在專業(yè)刊物上發(fā)表，為我國自動化儀表的發(fā)展出一分力。

　　參考文獻

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　　[8]I2C_bus_specifications_V2_0[EB/OL],V2.0,2016:p.6.https://espace.cern.ch/CMS-MPA/SitePages/Documents.aspx.

　　[9]MARK W Si7051 Temp Sensor[EB/OL].(2017-01-10)[2019-06-12].https://www.matrixtsl.com/mmforums/viewtopic.

　　php?t=19613.

　　[10]STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0[CP/OL],V3.5.0,STMicroelectronics,(2011)[2019-06-01].https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcu-mpu-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-libraries/stsw-stm32054.html

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第69頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。