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利用精密模拟微控制器ADuCM360和外部热电偶构建基于USB的温度监控器

作者:时间:2012-09-28来源:网络收藏

电路功能与优势

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/170809.htm

本电路显示如何在应用中使用ADuCM360/ADuCM361。ADuCM360/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连接到一个和一个100 铂电阻检测器(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。

 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)

图1. ADuCM360/ADuCM361用作接口(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内置电压基准电压源。它可测量RTD电阻;采用比率式设置,将一个基准电阻(RREF)连接在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/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5.6kΩ (±0.1%)电阻。

ADuCM360/ADuCM361的接口通过FT232R UART转收发器实现,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。

评估该电路所用的PCB如图2所示。

本电路所用的EVAL-ADuCM360TCZ板

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。

“超级终端”通信端口查看程序的输出

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。

使用简单线性逼近法时的误差

图4. 使用简单线性逼近法时的误差

最初,这一转换是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。

使用分段线性逼近法时的误差

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。

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