CN0221 采用ARM Cortex - M3的USB热电偶温度测量系统

CN0221 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连接器与本威廉希尔官方网站 之间需要隔离，则应增加隔离器件ADuM3160/ADuM4160。 为测试与评估威廉希尔官方网站 ，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。威廉希尔官方网站 板从PC的USB连接获得电源。 使用两种方法来评估本威廉希尔官方网站 的性能。首先使用连接到威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 的设置  RTD测量测试 为评估RTD威廉希尔官方网站 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表示测试设置威廉希尔官方网站 ，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)  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0 μA至2 mA范围内配置。本例使用200 μA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。本威廉希尔官方网站 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。本威廉希尔官方网站 所用铁氧体磁珠为Taiyo Yuden #BK2125HS102-T，它在100 MHz时的阻抗为1000Ω。 本威廉希尔官方网站 必须构建在具有较大面积接地层的多层印刷威廉希尔官方网站 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)。 评估该威廉希尔官方网站 所用的PCB如图2所示。 图2. 本威廉希尔官方网站 所用的EVAL-ADuCM360TCZ板  代码说明 用来测试威廉希尔官方网站 的源代码链接在CN0221设计支持包中：http://www.analog.com/CN0221-DesignSupport UART配置为波特率9600、8数据位、无极性、无流量控制。如果本威廉希尔官方网站 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。 CN0221 采用ARM Cortex - M3的USB热电偶温度测量系统 本威廉希尔官方网站 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/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。 在本威廉希尔官方网站 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)   CN0221 本威廉希尔官方网站 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/ADuCM361。 CN0221 | circuit note and reference circuit info 采用ARM Cortex - M3的USB热电偶温度测量系统 | Analog Devices

• 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

(analog)