CN0214 采用ARM7的USB热电偶温度测量系统

CN0214 ADP3333-2.5可以代替ADP120-2.5稳压器，前者具有更宽的工作温度范围（−40°C至+125°C），功耗更低（典型值为20 μA，而后者为70 μA），但最大输入电压较低（前者为5.5 V，后者为12 V）。如果微控制器上需要更多GPIO引脚，则可以选择采用48引脚LFCSP或48引脚LQFP封装的ADuC7060。请注意，ADuC7060/ADuC7061可以通过标准JTAG接口编程或调试。 使用外部基准电阻作为RTD测量的基准源时，建议以单位增益模式使用运算放大器来对VREF+引脚的输入进行缓冲。这是为了确保进入VREF+引脚的输入泄漏电流不会有损于测量精度。图8中，我们针对此目的，在单位增益下使用运算放大器OP193。在图1的主威廉希尔官方网站 图中，该输入未经缓冲，但为了获得最佳效果，应将其缓冲。 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ADuC7060/ADuC7061。 有关冷结补偿的更多信息，请参阅ADI公司的《传感器信号调理》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 。 为了测试和评估该威廉希尔官方网站 ，我们单独评估了热电偶测量和RTD测量。 热电偶测量测试 基本测试设置如图6所示。注意，热电偶连接到J2-8和J2-9，J2-5必须连接到J2-8。EVAL-ADUC7061MKZ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11个点的等效热电偶电压。(T型热电偶请参见ITS-90表)。 基为了评估查找算法的精度，将−200°C至+350°C温度范围内每隔1°C的温度所对应的551个电压读数传递到温度计算函数中。针对线性方法和分段线性逼近法计算得到误差，如图4和图5所示。   图7. 用于在整个热电偶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 为了评估RTD威廉希尔官方网站 和线性化源代码，以精确的可调电阻源代替了威廉希尔官方网站 板上的RTD。所用的仪器是1433-Z十进制电阻。RTD值的范围是90 Ω至140 Ω，代表−25°C至+114°C的RTD温度范围。 设置威廉希尔官方网站 如图8所示。   图8. 用于校准和测试-25°C至114°C范围内RTD输出电压的测试设置   图9显示了RTD测试的误差结果。   图9. 使用分段线性代码和ADC0测量结果进行RTD测量时的°C误差   Application Note AN-0970, RTD Interfacing and Linearization Using an ADuC706x Microcontroller 本应用中用到ADuC7060/ADuC706的下列特性： 内置可编程增益放大器(PGA)的24位Σ-Δ型主ADC：PGA的增益在本应用的软件中设置为32。主ADC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范围内以200 μA步进配置。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。 ADuC7060/ADuC7061中ADC的内置1.2 V基准电压源：内部基准电压源精度高，适合测量热电偶电压。 ADuC7060/ADuC7061中ADC的外部基准电压源：为了测量RTD电阻，我们采用比率式设置，将一个外部基准电阻(RREF)连接在外部VREF+ 和 VREF− 引脚上。 14位DAC：DAC用于将热电偶共模电压设置为地电压以上850 mV。 ARM7TDMI® 内核：功能强大的16/32位ARM7内核集成了32 kB闪存和SRAM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：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S1处于低电平，同时切换S2，ADuC7060/ADuC7061将进入引导模式，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。ADuC7060/ADuC7061的辅助ADC不含PGA，因此二者均连接到主ADC，二者之间的切换通过软件完成。 本应用使用的热电偶为铜-康铜型，其温度范围为−200°C至+350°C，灵敏度约为40 μV/°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完整温度范围。 RTD用于执行冷结补偿。本威廉希尔官方网站 使用的RTD为100 Ω铂RTD，型号为Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表贴封装，温度变化率为0.385 Ω/°C。 注意，基准电阻RREF应为精密5.62 kΩ (±0.1%)电阻。 ADuC7060/ADuC7061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电缆本身还应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1000 Ω。 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威廉希尔官方网站 板上。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、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MT101——“去耦技术”和ADuC7060/ ADuC7061评估板布局布线 ）。 图2所示为EVAL-ADUC7061MKZ PCB。 图2. 本威廉希尔官方网站 所用的EVAL-ADUC7061MKZ板   代码说明 用于测试本威廉希尔官方网站 的源代码可从以下网址下载（zip压缩文件）：http://www.analog.com/CN0214-SourceCode 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。 为了获得温度读数，必须测量热电偶和RTD的温度，然后相加以得出热电偶的绝对温度值。 首先，测量热电偶两条线之间的电压(V1)。测量RTD电压并通过查找表转换为温度，然后再将此温度转换为其等效热电偶电压(V2)。然后，将V1和V2相加，以得出整体热电偶电压，接着将此值转换为最终的温度测量结果。 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40 μV/°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给出了使用理想热电偶电压时的算法误差。图6显示了使用ADuC7060上的ADC0测量整个热电偶工作范围内的52个热电偶电压时获得的误差。最差情况的总误差小于1°C。 图3. “超级终端”通信端口查看程序的输出   图4. 使用简单线性逼近法时的误差   图5. 通过分段线性逼近法利用52个校准点和理想测量值计算时的误差   图6. 通过分段线性逼近法利用ADuC7060/ADuC7061 ADC0所测52个校准点时的误差   RTD温度是运用查找表计算出来的，并且对RTD的运用方式与对热电偶一样。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”。 CN0214 采用ARM7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 ADuC7060/ADuC7061 。ADuC7060/ADuC7061集成双通道24位Σ-Δ型ADC、双通道可编程电流源、14位DAC、1.2 V内部基准电压源、ARM7内核、32 kB闪存、4 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，ADuC7060/ADuC7061连接到一个热电偶和一个100 Ω Pt RTD。RTD用于执行冷结补偿。 在源代码中，ADC采样速率选择100 Hz。当ADC输入PGA的增益配置为32时，ADuC7060/ADuC7061的无噪声分辨率大于18位。 图1. ADuC7060/ADuC7061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）   CN0214 | circuit note and reference circuit info 采用ARM7的USB热电偶温度测量系统 | Analog Devices CN0214 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 ADuC7060/

典型温度范围为-200 C至+400 C

T型热电偶测量系统

带ARM7处理内核的单芯片解决方案

采用RTD进行冷结补偿

(analog)