溫度測(cè)量系統(tǒng)的legal應(yīng)用

介紹

現(xiàn)今有大量的傳感器用于溫度測(cè)量。Pt100正是一款被人所熟知的具有**的精度和線性度的傳感器。僅有的問(wèn)題是需要一個(gè)高增益的高精度的放大器，而這大大的增加了系統(tǒng)的成本。

在不降低精度的前提下減少整個(gè)系統(tǒng)成本的方法是采用UTI(通用傳感器接口芯片)。這大大的簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器之間的硬件接口。UTI將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為在邏輯層面可直接與微處理器輸入兼容的脈沖序列。達(dá)到14bits的精度滿足幾乎所有的應(yīng)用并且不需                                               要采用昂貴的儀器用放大器和其他包括模數(shù)轉(zhuǎn)換在內(nèi)的模擬電路。

而且在legal appllications中，需進(jìn)行特別的測(cè)量以保證合適的系統(tǒng)機(jī)能。在提到的電路中，使用四線模式來(lái)測(cè)量PT100，因此排除了所有的寄生熱電偶，導(dǎo)線電阻和系統(tǒng)錯(cuò)誤源。同時(shí)，一個(gè)100Ohm大的控制電阻用三線模式測(cè)量。這樣，程序運(yùn)算法則就可以很容易的辨別出系統(tǒng)是否正常工作。

傳感器

標(biāo)準(zhǔn)的Pt100傳感器是用做溫度傳感器。參照和控制應(yīng)該擁有杰出的溫度和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。

功能

圖1中的電路板設(shè)計(jì)用來(lái)提供溫度測(cè)量和legal應(yīng)用。溫度用四線模式測(cè)量，而控制用電阻用三線模式測(cè)量。結(jié)果通過(guò)一個(gè)三線的RS232接口傳給主機(jī)。可以采用UTI的快速或慢速模式。

具體電路描述

供電電壓

系統(tǒng)的供電電壓可以在8V到30V之間。采用一個(gè)固定的電壓整流器MC7805來(lái)為系統(tǒng)的數(shù)字部分提供必要的5V供電。模擬供電的+5V是由數(shù)字供電的整流得來(lái)。整個(gè)系統(tǒng)的耗電量接近20mA。

模擬部分

傳感器信號(hào)模擬情況的獲得與模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變是由UTI實(shí)現(xiàn)的。電阻R1限制了通過(guò)Pt100傳感器的電流。很明顯，電流越大靈敏度越高。但另一方面，通過(guò)電流對(duì)傳感器的自熱效應(yīng)也降低了系統(tǒng)的精度。這也是為何需要在大信號(hào)與自熱間做一個(gè)折衷。對(duì)一個(gè)200K/W（空氣中）的熱敏電阻來(lái)講，在0℃和2mA電流下，由于自熱現(xiàn)象造成的溫度錯(cuò)誤是80Mk。這是A級(jí)Pt100初始精度的兩倍。在5V供電時(shí)，取得2mA的電流要求R1等于2.1KΩ。在這個(gè)模式下，UTI的非線性優(yōu)于150ppm。

數(shù)字部分

Microchip的PIC16C73單芯片控制器做為這個(gè)工作在20MHz時(shí)鐘下的測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)核心。非常低的成本和小封裝使得它對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)非常有吸引力。它有一個(gè)集成的輸入計(jì)時(shí)功能，這大大簡(jiǎn)化了對(duì)UTI輸出脈沖時(shí)序的測(cè)量。這使得在脈沖寬度測(cè)量時(shí)分辨率可以達(dá)到200ns。UTI的其他的控制信號(hào)由微處理器的通用目的輸出提供。

RS232接口

RS232接口是基于微控制器的SCI子系統(tǒng)。The 0-5V to TS232 levels translation is done by a single supply MAX232 interface chip. The standard non-return to zero standard is used, 傳輸率是19200波特，沒(méi)有奇偶校正，一個(gè)停止位。

消除EMC問(wèn)題

低功耗本身導(dǎo)致了電磁兼容的問(wèn)題。對(duì)來(lái)自供電線干擾的抑制由隔離電容完成。可以在供電線上安裝鐵氧體磁珠以獲得更進(jìn)一步的減小。模擬供電部分與數(shù)字供電部分用一個(gè)低通濾波器隔離。PCB板上的所有連線都盡可能短以降低天線效應(yīng)。一個(gè)固定的地層防止電流循環(huán)影響。

高頻信號(hào)由時(shí)鐘發(fā)生器提供，這也是為什么振蕩器總是被放置在離微處理器時(shí)鐘引腳越近的地方越好。進(jìn)一步減小電磁輻射的方法是用地層將時(shí)鐘引線包圍起來(lái)。

程序運(yùn)算法則

下圖給出了系統(tǒng)軟件的流程圖

程序分為兩個(gè)主要部分-PC通信程序和測(cè)量程序

PC通信程序：這部分程序負(fù)責(zé)PC通過(guò)RS232接口的通信。與SCI的中斷連接是不被允許的。

測(cè)量程序：UTI不同狀態(tài)的測(cè)量是基于PIC16C73的輸入獲取功能。在信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，16-bit數(shù)值timer被寄存在16-bit的寄存器中，之后被程序從那個(gè)寄存器中讀取。在每一個(gè)溢出中斷時(shí)，這個(gè)16-bit的timer和另外一個(gè)8-bit sell在軟件中疊加后創(chuàng)造出一個(gè)24位的counter。A dedicated software logic is implemented in order to eliminate the problem of eventually changing this sell between reading  the hardware Capture register and this “Most significant byte” of the timer。

計(jì)時(shí)器的溢出中斷是允許的，它的功能是增加這個(gè)“*重要的字節(jié)”sell以得到一個(gè)24-bit的timer系統(tǒng)。

系統(tǒng)表現(xiàn)

量化過(guò)程錯(cuò)誤是：

快速模式：

-電阻-*小的數(shù)字是接近6500，這意味著高于12-bit的量化精度（5MHz 時(shí)鐘）

慢速模式：

-電阻-*小的數(shù)字是接近50000，這意味著高于15-bit的量化精度（5MHz 時(shí)鐘）

快速模式下的標(biāo)準(zhǔn)差是0.014%，慢速模式下的標(biāo)準(zhǔn)差是0.003（100個(gè)測(cè)量結(jié)果）。

結(jié)論

UTI的使用為在**測(cè)量溫度的同時(shí)**測(cè)量一個(gè)已知阻值的控制電阻提供了可能。這給在legal應(yīng)用它提供了可能。使用UTI大大的簡(jiǎn)化了傳感器和微處理器的接口連接。在沒(méi)有犧牲傳感器精度的情況下通過(guò)去掉昂貴的模擬元件，*終降低了總的系統(tǒng)成本。

PCB布線