摘 要： 介紹了一種基于ARM Cortex-M3的低功耗單片機(jī)LM3S101的新型智能二線制熱電阻(Pt100)溫度變送器的電路設(shè)計,，分析了系統(tǒng)設(shè)計的理論依據(jù)和軟硬件實現(xiàn)方案，并對非線性橋路進(jìn)行了線性化設(shè)計,。該智能二線制溫度變送器具有精度高,、可靠性好、現(xiàn)場顯示,、生產(chǎn)調(diào)試方便等特點,，有著廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： LM3S101,；兩線制,；線性化；AD620,；AD7457
溫度變送器廣泛應(yīng)用于工業(yè)中需要測溫的場合,，但傳統(tǒng)的溫度變送器是四線制、非智能化的,，其精度,、穩(wěn)定性、可靠性較低,，并且難以調(diào)試和維護(hù),。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，兩線制溫度變送器的智能化勢在必行[1],。
智能化兩線制溫度變送器測量精度高,、穩(wěn)定性好，但研制的關(guān)鍵是必須解決低功耗和線性化處理以及抗干擾問題,，尤其是在4 mA～20 mA的傳輸規(guī)范要求下,，如何保證電流為4 mA時溫度變送器還能正常工作。目前市場上的兩線制溫度變送器,，在非線性處理,、抗干擾方面仍然存在一些不足。為此,，本文提出采用高性能單片機(jī)LM3S101,，結(jié)合儀表放大器AD620和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7457，設(shè)計新型的兩線制溫度變送器,。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理
兩線制溫度變送器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。傳感器對信號源所產(chǎn)生的信號進(jìn)行采集，然后通過放大器對信號進(jìn)行放大處理，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊完成A/D轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號,，通過微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后再通過V/I轉(zhuǎn)換模塊把線性反映溫度變化的信號,，調(diào)制成電壓信號后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4 mA~20 mA電流信號,，通過兩線輸出，將兩線接入儀表,，由儀表顯示,。整個系統(tǒng)可以分為信號采集模塊、信號放大模塊,、數(shù)據(jù)運算模塊和V/I轉(zhuǎn)換四大模塊,。
1.2 橋路測溫原理及線性化
橋圖電路分析圖如圖2所示。由圖2可得：
如圖3所示,，令放大器與兩個橋臂的交點處的電壓為U，可得方程組：
1.3 模擬信號放大
本設(shè)計采用了AD620儀表放大器對橋路輸出的模擬信號進(jìn)行放大,。儀表放大器是在有噪聲的環(huán)境下放大小信號的器件,，其本身具有低漂移、低功耗,、高共模抑制比,、寬電源供電范圍及小體積等一系列優(yōu)點，其利用的是差分小信號疊加在較大的共模信號之上的特性,，既能夠去除共模信號,，而又同時能將差分信號放大。儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù)是共模抑制比,，這一性能可以用來衡量差分增益與共模衰減之比,，主要應(yīng)用于傳感器接口、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域,。AD620是一種低成本,、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益,，增益范圍為1~1 000,。因為二線制溫度變送器的最低電流為4 mA，在4 mA條件下必須能夠正常工作,，這就對器件的功耗要求比較高,。而AD620最大的工作電流僅為1.3 mA，功耗非常低,，可滿足低功耗的要求,。此外，AD620具有很高精度，它的最大非線性度達(dá)到了40 ppm,，并且具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移特性,。所以本設(shè)計選用AD620作為電壓信號的儀表放大器。AD620的應(yīng)用電路如圖4所示,。
如圖4所示,，AD620通過設(shè)置RG來調(diào)整增益，并且具有非常好的共模抑制比,。線性化橋路的輸出電壓Vout1連接到AD620的管腳2,，作為輸入電壓信號，AD620管腳3連接到管腳6的輸出作為反饋,。VS作為AD620的工作電壓,。Vout2為電壓信號放大后的輸出，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7457,，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,，送入微控制器。
1.4 A/D轉(zhuǎn)換
由儀表放大器放大后的電壓信號,，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī),。本設(shè)計選擇TI公司生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7457。AD7457芯片為12位低功耗,、逐次逼近型(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，采用偽差分模擬輸入，工作電壓為2.7 V~5.25 V單電源,，功耗非常低(最大為0.9 mW),。轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS及串行時鐘進(jìn)行控制，為器件與微處理器或DSP接口創(chuàng)造了條件,。
1.5 LM3S101控制芯片
LM3S101微控制器是基于ARM Cortex-M3控制器,，它將高性能的32位計算引入到對價格敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用中，能夠方便地運用多種ARM的開發(fā)工具和片上系統(tǒng)(SoC)的底層IP應(yīng)用方案,。微控制器使用了兼容ARM的Thumb指令集Thumb2的指令集來減少存儲容量的需求,，并以此達(dá)到降低成本的目的。LM3S101具有14種中斷并具有8個優(yōu)先等級,、單周期Flash,、兼容ARM Firm的看門狗定時器、同步串行接口(SSI)和較低功耗等特性,。與一般的PIC,、AVR、C51單片機(jī)相比,，在穩(wěn)定性,、數(shù)據(jù)處理、抗干擾等方面，更具優(yōu)勢,。所以選擇LM3S101作為處理數(shù)據(jù)的微控制器,。LM3S101控制輸出部分的電路設(shè)計如圖5所示。
如圖5所示,，XTR116u是4 mA~20 mA電流環(huán)路發(fā)送器,，可以傳送模擬4 mA~20 mA電流信號，符合工業(yè)電流環(huán)的標(biāo)準(zhǔn),；可提供精確電流刻度,，并具有限定輸出電流的功能。A和B為供電電壓,，由AD620放大后的電壓信號VOUT2接入AD7457的管腳7,，再由AD7457轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入LM3S101芯片24管腳處,，經(jīng)LM3S101芯片數(shù)據(jù)處理后,，由19管腳輸出。XTR116u將LM3S101芯片處理后的信號轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的4 mA~20 mA電流,，由1和2兩線輸出,，最后將1和2兩線接入到儀表，并由儀表顯示,。
1.6 功耗計算
AD7457芯片在工作電壓為3 V的情況下，最大功耗為0.9 mW,，最大工作電流為0.3 mA,。LM3S101消耗電流為2 mA(工作電壓3.3 V)。AD620最大工作電流為1.3 mA,，XTR116u芯片的最大消耗電流為200 μA,，其他元器件最大總消耗電流約0.2 mA，所以總消耗電流為：0.3 mA+2 mA+1.3 mA+0.2 mA＝3.8 mA<4 mA,，滿足了工作要求,。
2 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件的設(shè)計包括：初始化及主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊,、數(shù)據(jù)處理及傳送控制輸出模塊,。其中數(shù)據(jù)采集過程中進(jìn)行了濾波處理，處理了一些非正常的數(shù)據(jù)信號,。數(shù)據(jù)采用多次采樣求平均值的算法對采樣值進(jìn)行處理[4],，在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行了線性化的軟件設(shè)計，最后信號用PWM方式輸出,。軟件設(shè)計流程圖如圖6所示,。
實驗中，取0~200℃之間的理想曲線，將式(3)迭代函數(shù)在Matlab中編程,，得到理想曲線,；在0~200℃之間，每隔5℃取一采樣值,，與理想阻值比較,，并將采樣點連接。實驗結(jié)果如圖7所示,。由圖可以看出,，采樣所得曲線與理想曲線基本吻合，精確度高,。
本文介紹了基于LM3S101單片機(jī)的新型二線制溫度變送器,，在設(shè)計過程中對測溫橋路進(jìn)行了線性化的改進(jìn)，并采用高性能單片機(jī)LM3S101對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，使其測溫結(jié)果精度高,、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好,。由于采用兩線制,，降低了成本，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,。
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