基于STM32F103 的智能溫度變送器設(shè)計(jì)

陳 劍，吳桂峰

（揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

1 研究背景

在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是一種非常重要的參數(shù)，大多數(shù)設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行都離不開對(duì)其溫度的測(cè)量。隨著時(shí)代的發(fā)展，用戶對(duì)溫度變送器的測(cè)量精度、重復(fù)性、穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)溫度變送器已無(wú)法滿足其需求[1]，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，一種圍繞微處理器，結(jié)合先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的新型智能溫度變送器應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹了一種基于STM32F103 的智能溫度變送器設(shè)計(jì)方案，其能實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)測(cè)量（相對(duì)誤差小于0.2%）、4～20mA 環(huán)路電流輸出、HART 通信[2]及組態(tài)調(diào)試等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)框圖

智能溫度變送器的總體硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，主要包含電源模塊、硬件看門狗、LCD 屏、按鍵、AD 采樣模塊、數(shù)字隔離模塊、微處理器、V/I 環(huán)路電流輸出模塊和HART 通信模塊。

圖1 智能溫度變送器硬件設(shè)計(jì)框圖

當(dāng)所測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，變送器外接熱電偶或熱電阻的阻值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起測(cè)量電壓的變化。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波到A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字隔離后被MCU 讀取，MCU 對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)非線性校正、溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)跟蹤校正[3]，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的測(cè)量溫度在LCD 屏上顯示，同時(shí)通過(guò)D/A 芯片輸出對(duì)應(yīng)的4～20mA電流信號(hào)到總線，并且將AD5700 產(chǎn)生的幅值為0.5mA 的正弦波信號(hào)疊加到總線上，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通信。

2.1 溫度測(cè)量模塊

AD7794 是一款適合應(yīng)用在高精度測(cè)量中，且具有低功耗、低噪聲、完整模擬前端特性的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)置PGA、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘和激勵(lì)電流，從而大大簡(jiǎn)化了熱電偶（熱電阻）測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。AD7794 擁有六對(duì)差分信號(hào)輸入端，本文設(shè)計(jì)的溫度變送器將其端口最大化利用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶、熱電阻兩種信號(hào)的測(cè)量，同時(shí)對(duì)于熱電阻的測(cè)量可實(shí)現(xiàn)三線式、四線式配置切換，AD7794 與STM32F103 之間可通過(guò)SPI 總線進(jìn)行通信。

2.1.1 熱電偶測(cè)量

AD7794 提供一種集成式熱電偶解決方案，可以通過(guò)軟件配置調(diào)用該方案，外部只需將熱電偶接在差分輸入口，再加一些簡(jiǎn)單的RC 濾波器來(lái)滿足EMC 要求即可。如圖2 所示，熱電偶的冷結(jié)補(bǔ)償可通過(guò)一個(gè)熱電阻（PT100）和一個(gè)精密電阻（5.1k 10PPM）實(shí)現(xiàn)。

圖2 帶冷結(jié)補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)溫模塊

在芯片外圍構(gòu)建一種比率式架構(gòu)，將AD7794 芯片的16 腳配置成210μA 恒流源輸出，給熱電阻PT100 和5.1kΩ精密電阻供電，并且把精密電阻上的壓降作為基準(zhǔn)電壓。通過(guò)測(cè)量熱電阻上的壓降求得其阻值，查找熱電阻溫度對(duì)照表得環(huán)境溫度，來(lái)進(jìn)行冷結(jié)補(bǔ)償[4]。

將AD7794 的數(shù)據(jù)輸出頻率配置為16.7Hz，通過(guò)軟件設(shè)定，每讀取8 個(gè)熱電偶轉(zhuǎn)換結(jié)果就讀取1 個(gè)熱電阻轉(zhuǎn)換結(jié)果，所得數(shù)據(jù)經(jīng)校正、補(bǔ)償后，熱電偶測(cè)得溫度等于：溫度=熱電偶溫度＋冷結(jié)溫度。

AD7794 的轉(zhuǎn)換結(jié)果由STM32F103 進(jìn)行處理，將所得的最終溫度顯示在LCD 屏上。

2.1.2 熱電阻測(cè)量

熱電阻由純凈材料（如鉑、鎳或銅）制成，隨溫度變化而改變的電阻值是可預(yù)測(cè)的。本文采用的熱電阻測(cè)溫法是基于歐姆定律的定流測(cè)壓法，如圖3 所示，將AD7794 的15腳配置為恒流源輸出，為了防止自發(fā)熱，降低電流路徑上的漏電流對(duì)測(cè)量精度的影響，該腳的電流被配置為210μA 的小電流。測(cè)得熱電阻上的壓降，由于是由同一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的，所以將測(cè)量值折合為參考電阻兩端的電壓可消除電流源中的誤差。

圖3 熱電阻測(cè)溫模塊

通常將熱電阻測(cè)量接線配置為三線式或四線式，以最大程度減少引線電阻效應(yīng)[5]。本文設(shè)計(jì)通過(guò)ADG719BRTZ實(shí)現(xiàn)恒流源通道切換，配合適當(dāng)?shù)耐鈬娐愤_(dá)到支持三線式、四線式熱電阻配置選擇的目的。

通過(guò)對(duì)ADG719BRTZ 的1 腳控制信號(hào)的配置（低電平時(shí)S1 導(dǎo)通，S2 關(guān)斷；高電平時(shí)S1 關(guān)斷，S2 導(dǎo)通），實(shí)現(xiàn)恒流源的通道切換。當(dāng)使用三線式配置測(cè)量溫度時(shí)，外接的RTD需按圖4 所示，將熱電阻一端的一根線與通道2 連接，另一端的兩根線分別與通道3 以及精密電阻相連。

圖4 三線式RTD 外接圖

通過(guò)軟件配置IC7 的S1 導(dǎo)通，IC8 的S2 導(dǎo)通，將AD7794 的兩個(gè)恒流輸出端都配置為210μA（設(shè)為IEXC），分別供給通道2、3，兩路電流都流向精密電阻，設(shè)AD7794 輸入端AIN1（+）的電壓為V1，AIN1（-）的電壓為V2，則有：VRTD＝V1－V2＝RRTD*IEXC。

當(dāng)使用四線式配置測(cè)量時(shí)，外接的RTD 需按圖5 所示連接。

圖5 四線式RTD 外接圖

由于四線式配置對(duì)引線電阻不敏感，得VRTD＝RRTD*IEXC。

2.2 信號(hào)輸出模塊

信號(hào)輸出模塊包括兩部分，一個(gè)是4～20mA 的環(huán)路電流輸出，另一個(gè)是HART 信號(hào)輸出。前者采用AD5421，這是一款16 位高精度、低成本的DAC，具有靈活的SPI 兼容型串行接口，能夠以30MHz 速率工作，可以和常用的微處理器簡(jiǎn)單相連，接受數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生環(huán)路電流[6]，而且該芯片還可以和標(biāo)準(zhǔn)HART 協(xié)議通信電路結(jié)合使用。后者采用低功耗HART 調(diào)制解調(diào)器AD5700，其符合HART 的物理層要求，是業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART 半雙工調(diào)制解調(diào)器[7]。AD5700 集成了濾波、信號(hào)偵查、基準(zhǔn)電壓源、調(diào)制解調(diào)和信號(hào)生成功能，其無(wú)需外部緩沖就能夠提供很強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力，因此外圍電路簡(jiǎn)單易用。兩者組成的信號(hào)輸出模塊如圖6 所示。

圖6 信號(hào)輸出模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的編寫是在Keil 5 MDK 上用C 語(yǔ)言完成的，程序主要包括A/D 采集、定時(shí)器中斷、V/I 輸出、LCD 顯示初始化、SPI 串行總線配置、UART 串口傳輸[8]配置等。首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，然后讀取EEPROM 中的配置信息，將測(cè)得的傳感器電阻值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，最終轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)。最后將所得溫度信號(hào)顯示在LCD 屏上，同時(shí)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流并疊加HART 信號(hào)傳送到總線。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103 的智能溫度變送器，其具有檢測(cè)精度高、工作穩(wěn)定可靠、支持HART 通訊等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)適用于多種熱電阻、熱電偶的溫度檢測(cè)，可以靈活地在三線式、四線式接線間切換，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)符合預(yù)期，具有廣闊的市場(chǎng)前景。