CN0221: 采用ARM Cortex - M3的USB热电偶温度测量系统

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概览

电路笔记PDF, 08/2014 (pdf, 366 kB)
下载英文版PDF, 12/2013 (pdf,  366kB)
优势和特点
  • 典型温度范围为-200 C至+400 C
  • 带24位sigma-delta ADC的精密Cortex M3微控制器
  • 带冷结补偿的T型热电偶测量系统
  • 单芯片解决方案
此电路中所用产品
    应用: 
  • 现场仪器仪表和智能发送器
  • 温度控制器
  • 传感器和传感器接口
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电路功能与优势

本电路显示如何在精密热电偶温度监控应用中使用精 密模拟微控制器ADuCM360/ADuCM361ADuCM360/ADuCM361集成双通道24位-型模数转换器(ADC)、双通道可编程电流源、12位数模转换器(DAC)、1.2 V内部基准电压源、ARM Cortex-M3内核、126 kB闪存、8 kB SRAM以及各种数字外设,例如UART、定时器、SPI和I2C接口等。

在本电路中,ADuCM360/ADuCM361连接到一个热电偶和一个100 铂电阻温度检测器(RTD)。RTD用于执行冷结补偿。

在源代码中,ADC采样速率选择4 Hz。当ADC输入可编程增益放大器(PGA)的增益配置为32时,ADuCM360/ADuCM361的无噪声代码分辨率大于18位。

图1. ADuCM360/ADuCM361用作温度监控控制器与热电偶接口(原理示意图,未显示所有连接)

电路描述

本应用中用到ADuCM360/ADuCM361的下列特性:

- 在软件中,为热电偶和RTD配置了32倍PGA增益的24位∑-△型ADC。ADC1在热电偶信号采样与RTD电压信号采样之间连续切换。
- 可编程激励电流源,用来驱动受控电流流经RTD。双通道电流源可在0A至2mA范围内配置。本例使用200A设置,以便将RTD自热效应引起的误差降至最小。
- ADuCM360/ADuCM361中的ADC内置1.2V基准电压源。它的内部基准电压源精度高,适合测量热电偶电压。
- ADuCM360/ADuCM361中的ADC内置外部电压基准电压源。它可测量RTD电阻;采用比率式设置,将一个外部基准电阻(RREF)连接在外部VREF+和VREF引脚上。
- 偏置电压发生器(VBIAS)。VBIAS用于将热电偶共模电压设置为AVDD/2。
- ARMCortex-M3内核。功能强大的32位ARM内核集成了126kB闪存和8kBSRAM存储器,用来运行用户代码,可配置并控制ADC,通过RTD处理ADC转换,以及控制UART/USB接口的通信。
- UART用作与PC主机的通信接口。
- 两个外部开关用来强制该器件进入闪存引导模式。使SD处于低电平,同时切换RESET按钮,ADuCM360/ADuCM361便进入引导模式,而不是正常的用户模式。在引导模式下,通过UART接口可以对内部闪存重新编程。

热电偶和RTD产生的信号均非常小,因此需要使用PGA来放大这些信号。

本应用使用的热电偶为T(铜-康铜)型,其温度范围为−200°C至+350°C。灵敏度约为40V/°C,这意味着ADC在双极性模式和32倍PGA增益设置下可以覆盖热电偶的整个温度范围。

RTD用于执行冷结补偿。本电路使用铂100ΩRTD,型号为Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表贴封装。温度变化率为0.385Ω/°C。

注意,基准电阻RREF应为精密5.6kΩ (±0.1%)电阻。

ADuCM360/ADuCM361的USB接口通过FT232R UART转USB收发器实现,它将USB信号直接转换为UART。

除图1所示的去耦外,USB电缆本身还须采用铁氧体磁珠来增强EMI/RFI保护功能。本电路所用铁氧体磁珠为Taiyo Yuden #BK2125HS102-T,它在100 MHz时的阻抗为1000Ω。

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层印刷电路板(PCB)上。为实现最佳性能,应采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考教程MT-031——实现数据转换器的接地并解开“AGND”和“DGND”的谜团、教程MT-101——去耦技术、以及ADuCM360TCZ评估板布局)。

评估该电路所用的PCB如图2所示。

图2. 本电路所用的EVAL-ADuCM360TCZ板

代码说明
用于测试本电路的源代码可从ADuCM360产品页面下载(zip压缩文件)。

UART配置为波特率9600、8数据位、无极性、无流量控制。如果本电路直接与PC相连,则可以使用“超级终端” (HyperTerminal)等通信端口查看程序来查看该程序发送给UART的结果,如图3所示。

图3.“超级终端”通信端口查看程序的输出

测量热电偶和RTD的温度,以获得温度读数。通过查找表,将RTD温度转换为它的等效热电偶电压(可查看ISE公司的ITS-90 T型热电偶表)。这两个电压相加以得出热电偶的 绝对温度值。

首先,V1是热电偶两条线之间测得的电压。通过查找表,测量RTD电压并转换为温度值;然后,该温度值再转换为它的等效热电偶电压(V2)。随后,V1和V2相加得出总热电 偶电压值,此数值经转换后作为最终的温度测量值。

图4. 使用简单线性逼近法时的误差

最初,这一转换是基于一个简单的线性假设:热电偶的温度为40V/°C。从图4可以看出,只有针对0°C左右的小范围温度,如此转换所产生的误差才是可以接受的。计算热电偶温度的更好方法是对正温度使用6阶多项式,对负温度使用7阶多项式。这需要进行数学运算,导致计算时间和码字大小增加。适当的折衷是针对固定数量的电压计算相应的温度,然后将这些温度存储在一个数组中,其间的值利用相邻点的线性插值法计算。从图5可以看出,使用这种方法时误差显著降低。图5表示使用理想热电偶电压的算法误差。

图5. 使用分段线性逼近法时的误差

图6表示在ADuCM360上采用ADC1测量全热电偶工作范围内的52个热电偶电压,所产生的误差。整体最大的误差为<1°C。

图6. 使用分段线性逼近法时的误差(采用ADuCM360/ADuCM361测量的52个校准点)

像热电偶一样,RTD温度可使用查找表的方法计算与实现。注意,描述RTD温度与电阻关系的多项式与描述热电偶的多项式不同。

欲了解有关线性化和实现RTD最佳性能的详细信息,请参考应用笔记AN-0970:利用ADuC706x微控制器实现RTD接口和线性化。

常见变化

ADP1720 可以代替ADP120调节器,前者具有同样的工作温度范围(−40°C至+125°C),功耗更低(典型值为35A,后者为70A)且具有更低的最大输入电压。请注意,ADuCM360/ADuCM361可以通过标准串行线接口编程或调试。

对于标准UART至RS-232接口,可以用ADM3202等器件代替FT232R收发器,前者需采用3 V电源供电。对于更宽的温度范围,可以使用其它热电偶,例如J型热电偶。为使冷结补偿误差最小,可以让一个热敏电阻与实际的冷结接触,而不是把它放在PCB上。

针对冷结温度测量,可以用一个外部数字温度传感器来代替RTD和外部基准电阻。例如,ADT7410可以通过I2C接口连接到ADuCM360/ADuCM361。

有关冷结补偿的更多信息,请参阅ADI公司的《信号调理》第7章“温度传感器”。

如果USB连接器与本电路之间需要隔离,则应增加隔离器件ADuM3160/ADuM4160

电路评估与测试

为测试与评估电路,将热电偶测量和RTD测量单独进行评估。

热电偶测量测试
基本测试设置如图7。热电偶与J5相连,必须安装J1跳线以便对AIN7/VBIAS引脚进行热电偶共模电压设置。电路板从PC的USB连接获得电源。

使用两种方法来评估本电路的性能。首先使用连接到电路板的热电偶来测量冰桶的温度,然后测量沸水的温度。

使用Wavetek 4808多功能校准仪来充分评估误差,如图4和图6所示。这种模式下,校准仪代替热电偶作为电压源,如图7所示。为了评估T型热电偶的整个范围,利用校准仪设置T型热电偶−200°C至+350°C的正负温度范围之间52个点的等效热电偶电压。(可查看ISE公司的ITS-90 T型热电偶表)。

为评估查找算法的精度,将551电压读数(等效温度范围:−200°C至+350°C,间隔+1°C)送往温度计算函数。图4和图5表示以线性法和分段线性逼近法计算的误差。

图7. 用于在热电偶完整输出电压范围内校准和测试电路的设置

RTD测量测试
为评估RTD电路和线性化源代码,以精确可调节的源电阻替代板上的RTD。采用仪器为1433-Z Decade Resistor。RTD值在90Ω至140Ω之间,表示的RTD温度范围为−25°C至+114°C。

图8表示测试设置电路,图9表示RTD测试的误差结果。

图8. 用于测量RTD误差的测试设置
图9. RTD测量误差,以°C表示(采用分段线性代码和ADC0测量)

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
ADP1720 50 mA、高压、微功耗线性稳压器 ADP1720ARMZ-3.3-R7 ADP1720ARMZ-5-R7 ADP1720ARMZ-R7
ADUCM360 集成ARM CORTEX M3和双通道Σ-Δ型ADC的低功耗精密模拟微控制器 ADUCM360BCPZ128
ADUCM361 集成ARM CORTEX M3和单通道Σ-Δ型ADC的低功耗精密模拟微控制器 ADUCM361BCPZ128
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
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EVAL-CN0221-EB1Z USB-Based Temperature Monitor Using the ADuCM360 Precision Analog Microcontroller and an External Thermocouple $ 65.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
沪ICP备09046653号
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