基于LPC11C22微控制器的溫度檢測節(jié)點設(shè)計

唐衛(wèi)群

( 無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學校 機電工程系，江蘇 無錫 214000)

0 引言

溫度測量儀表是測量物體冷熱程度的工業(yè)自動化儀表。它的功能之一是應用于氣象觀測、環(huán)境研究、實驗室以及其他各種生產(chǎn)過程。在特定條件下的產(chǎn)品制造與工業(yè)質(zhì)量保持穩(wěn)定方面，一款性價比高的測溫現(xiàn)場儀表將發(fā)揮重要的作用?；谝陨闲枨?，本文研究開發(fā)了一款測溫節(jié)點設(shè)備，其采用ARM CortexTM-M0 處理器作為控制核心實現(xiàn)溫度的檢測、數(shù)據(jù)處理分析,并進行數(shù)據(jù)遠傳操作。Cortex M0最大的優(yōu)勢在于能效，其運算能力可以達到0.9 DMIPS/MHz，但功耗卻僅有80uW/MHz。這源于所謂的“超低功耗深度睡眠架構(gòu)”。由于采用了ARM 180ULL庫和PMK，相比傳統(tǒng)8/16位MCU擁有更低的靜態(tài)功耗。

1 溫度測量原理

熱電阻是中低溫區(qū)常用的一種測溫元件。熱電阻利用物質(zhì)在溫度變化時本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度。熱電阻的受熱部分(感溫元件)是用細金屬絲均勻的纏繞在絕緣材料制成的骨架上，當被測介質(zhì)中有溫度梯度存在時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。熱電阻的結(jié)構(gòu)特點： 熱電阻通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中-200℃～+600℃范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)及固體表面的溫度[1]。對于精度要求不是很高的場合，可以用如下公式擬合溫度和電阻的關(guān)系：

RTD(T) ≈ RTD0(1 + T × α)

(1)

其中，RTD是熱電阻,RTD(T)為在溫度T時的RTD電阻值(Ω)；RTD0為在0°C時RTD的電阻值(Ω)；T為溫度值，(°C)；α是常數(shù)，0.00385Ω/°C。

目前熱電阻的引線主要有三種方式：

1)二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制。這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r大小與導線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。

2)三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的方式。

3)四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。

本文熱電阻的引線采用三線制接法。

2 硬件設(shè)計

2.1 MCU介紹

恩智浦半導體NXP Semiconductors推出的業(yè)界首款內(nèi)嵌易用型片上CANopen驅(qū)動，集成高速CAN物理層收發(fā)器的微控制器LPC11C22和LPC11C24。片上CAN和CANopen驅(qū)動為設(shè)計工程師提供了支持CANopen協(xié)議的易于使用的API命令。這可以將LPC11Cxx系列微控制器快速整合到CAN網(wǎng)絡(luò)中，極大地簡化了即插即用的整合過程。此外，這些驅(qū)動被寫入低功耗ROM，釋放8KB的用戶代碼空間。這樣的設(shè)計具有雙重優(yōu)勢：既減少了工作能耗，又可以使通過CAN或其他片上串行通道的負載安全和可靠。Flash的更新可以通過CAN總線在系統(tǒng)編程(ISP)[2]。本文采用芯片為LPC11C22。

2.2 熱電阻檢測電路

熱電阻檢測電路如圖1所示，LM2920D運放的A部分和B部分構(gòu)成一個恒流源給PT100供電，D部分運放的作用是PT100補償引線誤差，C部分運放構(gòu)成一個Sallen Key 放大濾波器。

2.3 主控制電路

主電路采用LQFP48封裝LPC11C22，采用74HC595串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行驅(qū)動4位數(shù)碼管動態(tài)顯示。MCU采用SWD下載程序。

圖1 熱電阻檢測電路功能框圖

圖2 主控電路功能框圖

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件流程圖設(shè)計

在系統(tǒng)啟動后，檢測溫度信號，當轉(zhuǎn)換信號完畢開始顯示現(xiàn)場溫度，并呼叫主機判斷接受數(shù)據(jù)包信息，根據(jù)主機需求傳遞系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)。

圖3 軟件流程圖

3.2 CANopen 協(xié)議

CANopen是基于CAN總線的應用層協(xié)議，在開放的現(xiàn)場總線標準中CANopen是最著名和成功的一種,已經(jīng)在歐洲和美國獲得廣泛的認可和大量應用。本文應用此通訊協(xié)議完全滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求。[3]調(diào)用Can API程序如下。

typedef struct _CAND {

void (*init_can) (uint32_t * can_cfg);// CAN初始化

void (*isr) (void);//CAN中斷處理

void (*config_rxmsgobj) (CAN_MSG_OBJ * msg_obj);//CAN接受信息目標配置

uint8_t (*can_receive) (CAN_MSG_OBJ * msg_obj);//CAN接受

void (*can_transmit) (CAN_MSG_OBJ * msg_obj);//CAN發(fā)送

void (*config_canopen) (CAN_CANOPENCFG * canopen_cfg); //Canopen 配置

void (*canopen_handler) (void);//canopen處理

void (*config_calb) (CAN_CALLBACKS * callback_cfg);//can回收信號

} CAND;

通過調(diào)用此結(jié)構(gòu)里的函數(shù)庫，可以方便地進行數(shù)據(jù)收發(fā)，滿足溫度數(shù)據(jù)采集打包的要求。

3.3 開發(fā)仿真環(huán)境

IAR最著名的產(chǎn)品是C編譯器-IAR Embedded Workbench, 它支持眾多知名半導體公司的微處理器。許多全球著名的公司都在使用IAR提供的開發(fā)工具。本文采用IAR Embedded workbench for ARM 6.30進行程序編寫和仿真調(diào)試。

4 結(jié)語

多年來CAN普遍被業(yè)界視為高效實時通信的最佳選擇，但是對于低成本嵌入式應用，價格始終是制約因素。根據(jù)本方案設(shè)計出的溫度智能節(jié)點性價比高，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，為高性能嵌入式設(shè)計帶來了全新低成本突破口和完整的CAN解決方案，達到了減少產(chǎn)品開發(fā)風險，降低系統(tǒng)總成本和縮短產(chǎn)品上市周期的目的。

[參考文獻]

[1] 郁有文,常健.傳感器原理及工程應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,2003：222-233.

[2] 周怡君,毛玉良.基于CANopen協(xié)議的印染車間分布式控制系統(tǒng)[J].計算機測量與控制,2010(12)：2780-2781.

[3] 張捍東,徐龍,岑豫皖.CANopen協(xié)議及在ARM控制多電機驅(qū)動器系統(tǒng)中的應用與設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2011(2):41-43.