基于 STM32U5 片內(nèi)溫度傳感器正確測(cè)算溫度

1.    引言

STM32 在內(nèi)部都帶有一個(gè)溫度傳感器，STM32U5 也不例外。這個(gè)位于晶圓上的溫度 傳感器雖然不太適合用來(lái)測(cè)量外部環(huán)境的溫度，但是用于監(jiān)控一下晶圓上的溫度也是挺好 的，可以防止芯片過(guò)溫運(yùn)行。

2.    問(wèn)題

2.1.   問(wèn)題詳情

某客戶在使用 STM32U575ZIT6Q 時(shí)，使用 ADC4 對(duì)內(nèi)部溫度傳感器 VSENSE 進(jìn)行采樣 計(jì)算，但是總是覺(jué)得得到的溫度值不對(duì)。那么，應(yīng)該如何對(duì)內(nèi)部溫度傳感器的 ADC 采樣 進(jìn)行計(jì)算以得到正確溫度值呢？

2.2.   問(wèn)題分析

首先，應(yīng)該先來(lái)看一下參考手冊(cè)中，如何描述內(nèi)部溫度傳感器的。參考手冊(cè)說(shuō)明了， 未經(jīng)校準(zhǔn)的內(nèi)部溫度傳感器更適用于對(duì)溫度變量而非絕對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量的應(yīng)用。為了提高 溫度傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性，ST 在生產(chǎn)過(guò)程中將校準(zhǔn)值存儲(chǔ)在每個(gè)器件的系統(tǒng)存儲(chǔ)器中。用 戶在軟件開(kāi)發(fā)中，可以在應(yīng)用中去讀取這些數(shù)據(jù)，用于提高溫度傳感器的準(zhǔn)確性。

這個(gè)校準(zhǔn)值是寫(xiě)在數(shù)據(jù)手冊(cè)的，如圖 1 所示。

圖1. 內(nèi)部溫度傳感器

這張表格告訴我們，校準(zhǔn)值 TS_CAL1 的數(shù)值位于存儲(chǔ)器地址 0x0BFA0710 和 0x0BFA0711，也就是它是一個(gè) 16-bit 的數(shù)據(jù)；同理，校準(zhǔn)值 TS_CAL2 的數(shù)值位于存儲(chǔ)器地 址 0x0BFA0742 和 0x0BFA0743。

再回過(guò)頭來(lái)看一下參考手冊(cè)是如何描述怎么讀取內(nèi)部溫度傳感器的溫度的，如圖 2 所示。

圖2. 讀取溫度傳感器

這里描述的是如何讀取內(nèi)部溫度傳感器的溫度，前面主要介紹 ADC 的配置和對(duì)溫度傳 感器的采樣，最后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)使用公式進(jìn)行計(jì)算，得到溫度值。前面的 ADC 的配置 和采樣就不說(shuō)了，我們主要來(lái)看一下公式的使用。

其中，

Temperature (in ℃) 就是內(nèi)部傳感器的當(dāng)前溫度；

TS_DATA 為內(nèi)部傳感器當(dāng)前溫度對(duì)應(yīng)的采樣值；

TS_CAL2_TEMP 為校準(zhǔn)值 2 的溫度值，TS_CAL2 為對(duì)應(yīng)的采樣值，對(duì)于 STM32U5來(lái)說(shuō)，TS_CAL2_TEMP 為 130℃，對(duì)應(yīng)的采樣值存儲(chǔ)在 0x0BFA0742 和 0x0BFA0743； TS_CAL1_TEMP 為校準(zhǔn)值 1 的溫度值，TS_CAL1 為對(duì)應(yīng)的采樣值，對(duì)于 STM32U5來(lái)說(shuō)，TS_CAL1_TEMP 為 30℃，對(duì)應(yīng)的采樣值存儲(chǔ)在 0x0BFA0710 和 0x0BFA0711； 對(duì)于 STM32U5 來(lái)說(shuō)，公式可簡(jiǎn)化為：

那么，是不是直接讀取了 TS_CAL2 和 TS_CAL1，放到公式里，然后通過(guò) ADC 得到TS_DATA，就可以直接算溫度了呢？接著往下看。

2.3.   問(wèn)題解決

在室溫下使用 NUCLEO-U575ZI-Q 做個(gè)實(shí)驗(yàn)：

讀取 0x0BFA0742 和 0x0BFA0743 得到 TS_CAL2 為 0x155D，也就是 0d5469；讀 取 0x0BFA0710 和 0x0BFA0711 得到 TS_CAL1 的值為 0x102F，也就是 0d4143。

此時(shí)，由 ADC1 對(duì)內(nèi)部溫度傳感器進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，得到 TS_DATA 為 0xEAA，也就是 0d3754。

那么，如果直接放進(jìn)去算：

室溫下，這個(gè) 0.66℃顯然不對(duì)。

2.3.1.  使用 ADC1 測(cè)量?jī)?nèi)部溫度傳感器的溫度值

再來(lái)看數(shù)據(jù)手冊(cè)里對(duì)校準(zhǔn)值的描述，如圖 3 所示。

圖3. 溫度傳感器校準(zhǔn)值重要參數(shù)

這個(gè)表格有一個(gè)非常重要的參數(shù)，就是 ADC1 的參考電壓，它是 3.0V，而 NUCLEO-U575ZI-Q 板子的 ADC 參考電壓為 3.3V。所以，這兩個(gè) TS_CAL1 和 TS_CAL2 對(duì)于 NUCLEO-U575ZI-Q 中的 STM32U575ZIT6Q 的內(nèi)部溫度傳感器肯定是不能直接用的， 需要先換算為 3.3V 參考電壓的值才行。

所以，新的值計(jì)算如下：

TS_CAL2 = 5469 × 3 / 3.3 = 4972

TS_CAL1 = 4143 × 3 / 3.3 = 3766

再回到剛才的實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算的公式如下：

這次算出來(lái)的結(jié)果為 29℃就對(duì)了。

2.3.2.  使用 ADC4 測(cè)量?jī)?nèi)部溫度傳感器的溫度值

那對(duì)于 ADC4 是否也是一樣的呢？

首先，要知道在 STM32U5 中，ADC1 為 14-bit SAR ADC，而 ADC4 為 12-bit SAR ADC。同樣的這塊板子，同樣的室溫下，由 ADC4 對(duì)內(nèi)部溫度傳感器進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換得到的 值是 0x3AA，也就是 0d938。

要使用 0d938 計(jì)算溫度值，TS_CAL1 和 TS_CAL2 也要相應(yīng)轉(zhuǎn)為 12 位的數(shù)據(jù)才行。 將它們由 14 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為 12 位的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于就是右移 2 位，也相當(dāng)于除以 4。

由于參考電壓仍然是 3.3V，所以針對(duì) ADC4 的 TS_CAL2 和 TS_CAL1 應(yīng)該計(jì)算如下：

TS_CAL2 ：由讀取到的 0x155D 右移 2 位，得到 0x557，也就是 0d1367，再換算成 3.3V 的 。

TS_CAL2 = 1367 × 3 / 3.3 = 1243

也可以直接使用上面 ADC1 例子的值來(lái)計(jì)算。

TS_CAL2 = 4972 / 4 = 1243

TS_CAL1 ：由讀取到的 0x102F 右移 2 位，得到 0x40B，也就是 0d1035，再換算成 3.3V 的 。

TS_CAL2 = 1035 × 3 / 3.3 = 941

也可以直接使用上面 ADC1 例子的值來(lái)計(jì)算。

TS_CAL2 = 3766 / 4 = 941

計(jì)算的公式如下：

算出來(lái)的結(jié)果也是 29℃。

3.    小結(jié)

當(dāng)我們使用芯片的內(nèi)部溫度傳感器計(jì)算內(nèi)部溫度時(shí)，需注意校準(zhǔn)值是使用哪個(gè) ADC、 在什么參考電壓下得到的。當(dāng)實(shí)際應(yīng)用與內(nèi)部溫度傳感器校準(zhǔn)時(shí)所使用 ADC 及條件不一 樣時(shí)，應(yīng)該對(duì)存儲(chǔ)單元里的校準(zhǔn)值先做計(jì)算轉(zhuǎn)化，然后才可以使用參考手冊(cè)所提供的公式 進(jìn)行計(jì)算，否則將會(huì)得到錯(cuò)誤值。

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