摘 要： 介紹了一種基于ARM Cortex-M3的低功耗單片機LM3S101的新型智能二線制熱電阻(Pt100)溫度變送器的電路設計，分析了系統設計的理論依據和軟硬件實現方案，并對非線性橋路進行了線性化設計。該智能二線制溫度變送器具有精度高、可靠性好、現場顯示、生產調試方便等特點，有著廣泛的應用前景。
關鍵詞： LM3S101；兩線制；線性化；AD620；AD7457
溫度變送器廣泛應用于工業中需要測溫的場合，但傳統的溫度變送器是四線制、非智能化的，其精度、穩定性、可靠性較低，并且難以調試和維護。隨著微電子技術的發展，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、穩定性好，但研制的關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LM3S101，結合儀表放大器AD620和A/D轉換芯片AD7457，設計新型的兩線制溫度變送器。
1 系統硬件設計
1.1 系統總體結構及工作原理
兩線制溫度變送器的總體結構如圖1所示。傳感器對信號源所產生的信號進行采集，然后通過放大器對信號進行放大處理，再由A/D轉換模塊完成A/D轉換，轉換后的數字信號，通過微控制器進行數據處理，最后再通過V/I轉換模塊把線性反映溫度變化的信號，調制成電壓信號后轉換成相應的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。整個系統可以分為信號采集模塊、信號放大模塊、數據運算模塊和V/I轉換四大模塊。
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
本設計采用了AD620儀表放大器對橋路輸出的模擬信號進行放大。儀表放大器是在有噪聲的環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。儀表放大器的關鍵參數是共模抑制比，這一性能可以用來衡量差分增益與共模衰減之比，主要應用于傳感器接口、工業過程控制等領域。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到了40 ppm，并且具有低失調電壓和低失調漂移特性。所以本設計選用AD620作為電壓信號的儀表放大器。AD620的應用電路如圖4所示。
如圖4所示，AD620通過設置RG來調整增益，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，進入A/D轉換芯片AD7457，并將其轉換成數字信號，送入微控制器。
1.4 A/D轉換
由儀表放大器放大后的電壓信號，需要經過A/D轉換成數字信號送入單片機。本設計選擇TI公司生產的A/D轉換芯片AD7457。AD7457芯片為12位低功耗、逐次逼近型(SAR)模數轉換器，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)。轉換過程和數據采集過程通過CS及串行時鐘進行控制，為器件與微處理器或DSP接口創造了條件。
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用中，能夠方便地運用多種ARM的開發工具和片上系統(SoC)的底層IP應用方案。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，并以此達到降低成本的目的。LM3S101具有14種中斷并具有8個優先等級、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單片機相比，在穩定性、數據處理、抗干擾等方面，更具優勢。所以選擇LM3S101作為處理數據的微控制器。LM3S101控制輸出部分的電路設計如圖5所示。
如圖5所示，XTR116u是4 mA~20 mA電流環路發送器，可以傳送模擬4 mA~20 mA電流信號，符合工業電流環的標準；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轉換成數字信號，送入LM3S101芯片24管腳處，經LM3S101芯片數據處理后，由19管腳輸出。XTR116u將LM3S101芯片處理后的信號轉化成標準的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 軟件設計
系統軟件的設計包括：初始化及主程序模塊、數據采集模塊、數據處理及傳送控制輸出模塊。其中數據采集過程中進行了濾波處理，處理了一些非正常的數據信號。數據采用多次采樣求平均值的算法對采樣值進行處理[4]，在數據處理中進行了線性化的軟件設計，最后信號用PWM方式輸出。軟件設計流程圖如圖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單片機的新型二線制溫度變送器，在設計過程中對測溫橋路進行了線性化的改進，并采用高性能單片機LM3S101對數據進行處理，使其測溫結果精度高、抗干擾能力強、穩定性好。由于采用兩線制，降低了成本，因而在工業生產中得到了廣泛應用。
參考文獻
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