本電路顯示如何在精密熱電偶溫度監(jiān)控應(yīng)用中使用 ADuC7060 或 ADuC7061精密模擬微控制器ADuC7060/ADuC7061集成雙通道24位∑-△型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、雙通道可編程電流源、14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、1.2 V內(nèi)置基準電壓源以及ARM7內(nèi)核、32 kB閃存、4 kB SRAM和各種數(shù)字外設(shè)，例如UART、定時器、串行外設(shè)接口(SPI)和I2C接口。

在該電路中，ADuC7060/ADuC7061連接到一個熱電偶和一個100Ω鉑電阻溫度檢測器(RTD)。RTD用于冷結(jié)補償。作為額外選項，ADT7311數(shù)字溫度傳感器可用于代替RTD來測量冷結(jié)溫度。

在源代碼中，ADC采樣速率選擇4 Hz。當ADC輸入可編程增益放大器(PGA)的增益配置為32時，ADuC7060/ADuC7061的無噪聲分辨率大于18位。

與主機的單邊半字節(jié)傳輸(SENT)接口通過使用定時器控制數(shù)字輸出引腳來實現(xiàn)。然后，使用外部NPN晶體管將此數(shù)字輸出引腳通過外部方式電平轉(zhuǎn)換為5 V。按照SENT協(xié)議(SAE J2716標準)第6.3.1節(jié)的建議在SENT輸出電路中提供了EMC濾波器。數(shù)據(jù)按下降沿到下降沿測量，每個脈沖的持續(xù)時間與系統(tǒng)時鐘周期數(shù)相關(guān)?？赏ㄟ^測量SYNC脈沖來確定系統(tǒng)時鐘速率。SYNC脈沖在每個數(shù)據(jù)包開始時發(fā)送。要了解更多詳情，請參見“SENT接口”部分。

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本應(yīng)用中用到： ADuC7060/ ADuC7061的下列特性:

• 內(nèi)置PGA的24位∑-△型主ADC。PGA的增益在本應(yīng)用的軟件中設(shè)置為32。主ADC在熱電偶信號采樣與RTD電壓信號采樣之間連續(xù)切換。
• 如果用RTD測量冷結(jié)溫度，可編程激勵電流源會驅(qū)動受控電流流過RTD。雙通道電流源可在0μA至2μA范圍內(nèi)以200μA階躍配置。本例使用200μA設(shè)置，以便將RTD自熱效應(yīng)引起的誤差降至最小。
• 如果用ADT7311測量冷結(jié)溫度，將在主機模式下使用SPI接口來連接ADT7311從機。
• ADuC7060/ ADuC7061中ADC的內(nèi)置1.2 V基準電壓源。內(nèi)部基準電壓源精度高，適合測量熱電偶電壓。
• ADuC7060/ ADuC7061中ADC的外部基準電壓源。為了測量RTD電阻，我們采用比率式設(shè)置，將一個外部基準電阻(RREF)連接在外部VREF+和VREF?引腳上。
• AD8628?單電源運算放大器用于緩沖RREF至ADC的高阻抗基準電壓。
• OP193是用于替代AD8628的另一可選擇型號。
• 用于將熱電偶共模電壓設(shè)為地以上850 mV的DAC。
• ARM7TDMI?內(nèi)核。功能強大的16/32位ARM7內(nèi)核集成了32 kB閃存和SRAM存儲器，用來運行用戶代碼，可配置并控制ADC、通過RTD處理ADC轉(zhuǎn)換，以及控制SPI接口的通信。
• 定時器1和數(shù)字輸出引腳用于產(chǎn)生SENT輸出信號。
• 用于抑制ESD、電快速瞬變(EFT)和電涌瞬變(最高23kV)的可選PESDLIN保護二極管。
• 按照SAE J2716標準(SENT協(xié)議)第6.3.1節(jié)的建議在SENT輸出端提供了EMC濾波器。
• 兩個外部開關(guān)用來強制該器件進入閃存引導(dǎo)模式。使S1處于低電平，同時切換S2，ADuC7060/ADuC7061將進入引導(dǎo)模式，而不是正常的用戶模式。在引導(dǎo)模式下，通過UART接口可以對內(nèi)部閃存重新編程。

熱電偶和RTD產(chǎn)生的信號均非常小，因此需要使用PGA來放大這些信號。ADuC7060/ADuC7061的輔助ADC不含PGA，因此二者均連接到主ADC，二者之間的切換通過軟件完成。

本應(yīng)用使用的熱電偶為T型(copperconstantan)，其溫度范圍為?200°C至+350°C，靈敏度約為40μV/°C，這意味著ADC在雙極性模式和32倍PGA增益設(shè)置下可以覆蓋熱電偶的整個溫度范圍。

RTD用于冷結(jié)補償。本電路使用的是100Ω 鉑RTD，型號為Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表貼封裝，溫度變化率為0.385Ω /°C。

注意，基準電阻RREF應(yīng)為精密5.6 kΩ (±0.1%)電阻。

SENT接口

SENT接口是一種單引腳單向(傳感器至主機)時間調(diào)制信號，主要用于在汽車系統(tǒng)中使分布式傳感器與主機CPU接口。

SENT的主要要求包括以下幾點：

• 必須有0 V至5 V的信號擺幅，且?guī)в蠩MC濾波。
• 用于SENT信號的時鐘必須具備±20%的精度。
• SENT輸出電路必須足夠穩(wěn)定，以耐受對地短路和電源電壓短路。

關(guān)聯(lián)的源代碼使用ADuC7061的P0.4數(shù)字引腳作為SENT輸出引腳。所用數(shù)據(jù)包格式為單傳感器數(shù)據(jù)包格式，詳見SAE J2716標準(SENT協(xié)議)文檔的第A.4節(jié)?？尚薷脑创a(尤其是SENT.h和Sent.c文件)，來支持其它數(shù)據(jù)包格式。整體溫度結(jié)果以/°C格式通過數(shù)據(jù)半字節(jié)1至數(shù)據(jù)半字節(jié)3返回?？偠灾?，返回的輸出數(shù)據(jù)包為

• 同步脈沖的56個時鐘周期
• 狀態(tài)脈沖(7個周期至15個周期)
• 數(shù)據(jù)半字節(jié)1(溫度結(jié)果的Bit 11至Bit 8)
• 數(shù)據(jù)半字節(jié)2(溫度結(jié)果的Bit 7至Bit 4)
• 數(shù)據(jù)半字節(jié)3(溫度結(jié)果的Bit 3至Bit 0)
• 數(shù)據(jù)半字節(jié)4(計數(shù)器的Bit 7至Bit 4)
• 數(shù)據(jù)半字節(jié)5(計數(shù)器的Bit 3至Bit 0)
• 數(shù)據(jù)半字節(jié)6(與半字節(jié)1相反)

圖2為數(shù)據(jù)包示例。

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該電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層印刷電路板(PCB)上。為實現(xiàn)最佳性能，必須采用適當?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)(請參見指南MT-031“實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團”、 指南MT-101“去耦技術(shù)”以及ADuC7060/ ADuC7061評估板布局)。

代碼說明

定時器1用于控制SENT輸出引腳P0.4。根據(jù)熱電偶的ADC結(jié)果和冷結(jié)溫度計算出溫度結(jié)果后，SENT數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)SENT_PACKET將更新，并且定時器1會啟動。該結(jié)構(gòu)的域會在P0.4引腳上逐個輸出，如圖2所示。數(shù)據(jù)包的第一級是同步序列。主機根據(jù)此脈沖確定時鐘周期，并據(jù)此確定后續(xù)半字節(jié)值。

要獲得溫度讀數(shù)，應(yīng)測量熱電偶和RTD的溫度。RTD溫度通過一個查找表轉(zhuǎn)換為其等效熱電偶電壓。將這兩個電壓相加，便可得到熱電偶電壓的絕對值。

首先，測量熱電偶兩條線之間的電壓(V1)。然后，測量RTD電壓并通過查找表將其轉(zhuǎn)換為溫度。接著，將此溫度轉(zhuǎn)換為其等效熱電偶電壓(V2)。然后，將V1和V2相加，以得出整體熱電偶電壓，接著將此值轉(zhuǎn)換為最終的溫度測量結(jié)果。

最后，采用分段線性方案來計算最終的溫度值。固定數(shù)量的電壓各自對應(yīng)的溫度存儲在一個數(shù)組中，其間的值則利用相鄰點的線性插值法計算。圖3給出了使用理想熱電偶電壓時的算法誤差。圖4顯示了使用ADuC7060/ADuC7061上的ADC0引腳測量整個熱電偶工作范圍內(nèi)的52個熱電偶電壓時獲得的誤差。最差情況的總誤差小于1°C。

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RTD溫度是運用查找表計算出來的，并且對RTD的運用方式與對熱電偶一樣。注意，描述RTD溫度與電阻關(guān)系的多項式與描述熱電偶的多項式不同。

設(shè)計支持包中的源代碼是利用KEILμVision V3.90生成的。

欲了解有關(guān)線性化和實現(xiàn)RTD最佳性能的詳細信息，請參考 應(yīng)用筆記AN-0970“利用ADuC706x微控制器實現(xiàn)RTD接口和線性化”。