智能温度传感器硬件电路的分析跟改进

一种智能温度传感器硬件电路分析和改进內容摘要 太简了本文介绍了以 Pt100 为敏感元件智能温度传感器的一种成熟处理电路，文中对该电路进行详尽的分析、列出电路的优缺点，并在此基础上提出修改意见。关键词：温度传感器 PT100 惠斯通电桥以上的 內容摘要和关键词 应独占一页红色字或刪或改前言由于被测对象为非电量，利用传感器将测到的非电量转换为电信号，大多数传感器产生的信号都很微弱，通常只有 uV 或 mV 两级，必须用高输入阻抗的运算放大器对他们进行放大，使其达到一定的幅度（通常为几伏） 。还要进行滤波，选取信号中一定频率范围的成分，去掉各种干扰和噪声。若信号的大小与 A/D 转换的输入范围不一致，必须进行电平转换。转换后的数字信号送入单片机，而后进行数据运算和处理，将结果通过总线发送给控制器或显示器。1 智能温度传感器的结构框图2 智能温度传感器器件选择随着以微电子技术为基础的计算机技术、网络技术、通信接口技术和检测技术、人工智能技术的发展， IC芯片正在向着单片化、微型化、综合化、高性能价格比的方向发展， 这使得原来功能单一，结构复杂，连线困难，功耗高的单片IC芯片逐渐被多功能、结构精巧、通用联线而且低功耗的集成式IC器件所替代。特别是在片内集成了程序数据存储器、ADC转换和I/O 接口功能的单片机的出现，已经在智能化仪表中获得广泛应用，也为智能传感器的设计和实现提供了坚实的物质基础。为了设计出结构紧凑、可靠度高、低功耗的智能温度传感器，并结合传感器应用的实际对象和场合，我们在设计选择器件时充分考虑了这一趋势的同时，还要考虑实验室项目的一致性，尽量减少开发平台重复建设。2.1 智能温度传感器微控制器选择微控制器（MCU）是智能传感器的核心器件，它对智能传感器的性能指标影响很大。目前市场上 MCU 的型号和种类很多，其中比较流行的有 Intel 公司的 MCS51 系列、Motorola 公司的 68H 系列、Microchip 公司的 PIC 系列、敏感元件 模拟信号处理A/D转换数字信号处理 通信总 线被测信号图 1 智能温度传感器结构框图Atmel 公司的 AVR 系列以及以 ARM 体系结构的单片机等 2。MCS51 系列单片机应用广泛，价格低廉，发展较成熟，但它的实时性相对较差；Motorola 的68H 系列单片机在家电、耐用消费品等人民生活领域占据了广阔的市场，在同样的速度下所用的时钟频率较 Intel 类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。Microchip 公司的 PIC 系列单片机采用 RISC 结构，分别仅有 33，35，58 条指令，采用 Harvard 双总线结构，运行速度快，低工作电压， 低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积。 适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。ATMEL 公司的 AVR 单片机，是增强型 RISC 内载 Flash 的单片机，芯片上的 Flash 存储器附在用户的产品中，可随时编程，再编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。AVR 单片机采用增强的 RISC 结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每 MHz 可实现 1MIPS 的处理能力。AVR 单片机工作电压为 2.76.0V，可以实现耗电最优化。 AVR 的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。由此可见，各个公司单片机都有各有千秋，他们生产的芯片还有千变万化的内部功能配置组合，如何选对一款合适的MCU也是系统开发前期需要考虑的重要问题。以下几点就是芯片选型的依据：1. 成本 成本是一个关键性因素。当注重MCU的性能的同时，还要考虑系统的整体成本和开发系统时所用到的在线仿真器、编译器、汇编器、连接器、调试器以及模拟器等的成本。不能只看到MCU的成本，有时一个快速而廉价的MCU可能会成为系统成本居高不下的问题根源，因为系统往往还需要加上各种外设，要使各种外设协同工作需要扩展总线和增加延时逻辑。作为系统的设计者，应该尽量制定一个合理的预算，同时又能满足系统的各项要求。2. 片内要有充足的RAM和ROMMCU内部有充足的存储器既可以节省传感器的成本，又可以减少传感器的体积。由于CANopen 协议栈由多个子协议和服务组成，而且系统采用查表方式实现传感器的显性化，因此需要大量的RAM和ROM。3. 功耗低基于现场总线的智能传感器大多工作在距离控制室很远的地方，再加上国家提倡节约能源，因此功耗问题是值得关注的。有时功耗太大会影响传感器的本质安全。4. 内置CAN总线接口CAN-BUS为本系统主要输出通道，所以选用的MCU芯片必须具备CAN总线接口。根据以上要求我们选用Atmel公司的AVR系列处理器 AT90CAN32作为智能传感器的核心。AT90CAN32 为基于 AVR RISC 结构的 8 位低功耗 CMOS 微处理器。AVR单片机以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一个字中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此） ，AT90CAN32 共有 133 条精简的指令，其中大部分为单周期指令，此外它还有一个两个指令周期的硬件乘法器。AVR 单片机采用哈佛（Harvard）结构的流水线技术，在执行一条指令的同时，下一条指令也被取出来。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，AT90CAN32 的数据吞吐率高达 1MIPS/ MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾 5。AT90CAN32 单片机是以 Atmel 的高密度非易失性内存技术生产的 AVR单片机家族中的高性能单片机，具有比其他型号单片机更高的性能。它在 AVR内核的基础上增加了更多的功能，并完善了接口性能，在省电、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面也考虑得更加周全和完善，具体特点如下：32K 字节的系统内可擦写 10000 次的 Flash 程序存储器、 4K 字节可擦写100000 次的 EEPROM、4K 字节的 SRAM、53 个通用 I/O 口线、32 个通用工作寄存器、一个含 15 个邮箱的 CAN 控制器、实时时钟 RTC、4 个灵活的具有比较模式和 PWM 功能的定时器/计数器（T/C） 、两个 USART、面向字节的两线接口 TWI、8 通道 10 位 ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与 IEEE 1149.1 规范兼容的 JTAG 测试接口（此接口同时还可以用于片上调试） ，以及六种可以通过软件选择的省电模式。几个图都无法看清，不如刪去！别在文章中凑数，浪费空间！这些图你自己看得清吗？看明白了吗？这就下载交上來不是糊弄人吗？！太省心省力了吧！AT90CAN32 有多种片内 ISP Flash 可以通过 SPI 接口、通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用 Flash 存储器。在更新应用 Flash 存储器时引导 Flash 区的程序继续运行，实现 RWW 操作。通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， AT90CAN32 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案，AT90CAN32图 2 AT90CAN32 内部结构框图内部结构框图如图 2 所示。以下重点介绍智能温度传感器应用到 AT90CAN32 的几个部分。 AT90CAN32 存储器结构介绍：AVR 结构具有两个主存储器空间：数据存储器和程序存储器，如图 3 和图 4 所示。此外，AT90CAN32 还有 EEPROM 存储器以保存重要数据。这三个存储器空间是独立编址和线性的。AT90CAN32 具有 128K 字节的在线编程 Flash。因为所有的 AVR 指令为16 位或 32 位，故 FLASH 组织成 64K x 16 的形式。考虑到软件安全性，Flash 程序存储器分为两个区：引导程序区和应用程序区。Flash 存储器至少可以擦写10，000 次。 AT90CAN32 模数转换通道介绍：ATmega128内部集成一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口F的8路单端输入电压进行采样。器件还支持16 路差分电压输入组合。两路差分输入(ADC1、ADC0 与ADC3、ADC2)有可编程增益级，在A/D 转换前给差分输入电压提供 0 dB (1x)、20 dB (10x) 或46 图 4 程序存储器映像图 3 数据存储器映像dB(200x) 的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1)，而其他任何ADC 输入可做为正输入端。如果使用1x 或10x 增益，可得到8 位分辨率。如果使用200x 增益，可得到7 位分辨率。ADC 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定。ADC 的框图如5所示。 AT90CAN32 CAN 控制器介绍：AT90CAN32 的 CAN 控制器完全兼容 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B 规范，共计15 个独立的具有优先级的邮箱，支持时间触发通信协议，可以为每一个 CAN报文印“时戳 ”，支持自动回复功能 14。AT90CAN32 的 CAN 控制器结构框图如图5 ADC结构框图图 6 AT90CAN128 CAN 控制器结构框图图 6 所示。2.2 智能温度传感器敏感元件及信号调理电路运算放大器选择在常用的温度传感器有热电阻式、热敏电阻式及热电偶式。热电偶用在检测高温的场合如排烟温度等；而热电阻和热敏电阻用于测量温度较低的场合，如检测气缸冷却水温度、滑油温度、主轴温度等。但热敏电阻的测量精度不高、非线性差，主要用作温度开关。热电阻具有良好的线性度，尤其是铂电阻，它不仅拥有良好的线性度和复现度，而且具有很高的温度系数，其大约为30007000ppm/。考虑到系统的成本和功耗问题，我们选用 Pt100 作为敏感元件。如上述论述可知，铂电阻将以电阻的变化来反映温度的变化，而电阻不易变换，必须用适当的电路来实现电阻到电压的转化。一般采用惠斯登电桥法，惠斯登电桥法得到是很微弱的电压（毫伏级的电压） ，该电压必须经过适当的放大才能被使用。这就要求放大器增益高，性能稳定，尤其是零点漂移、温度漂移、增益、稳定性等指标要求较高，也就是要能对信号实现精密放大处理，满足计量要求。这时，设计师们往往首选就是采用专用精密集成运算放大器，然而精密集成运算放大器价格较高，芯片供电多采用双电源对称供电，对供电电路要求较高，应用上不太方便。而LM358 系列集成运放是4组独立的高增益的、内部频率补偿、输入偏置电流是温度补偿的、单位增益带宽是温度补偿的运算放大器，它既可以单电源使用，也可以双电源使用，电源电压可以从+ 5V 到15V ，而且驱动功耗低，每一组运放差模增益可达到100dB。通过外围电路的合理设计， 以LM358为主要器件的放大电路完全能满足高放大倍数、高稳定性的仪器仪表信号的放大处理要求。2.3 智能温度传感器 CAN 总线通信器件选择由前文可知AT90CAN32在片内集成了CAN总线控制器，故只需要外加两只CAN总线收发器就可构成CAN总线通信模块。市场上有许多种CAN总线收发器，如Philips公司生产的AU5790 、PCA82C251和TJA1040 ，德州仪器公司生产的SN65HVD230等。AU5790价格低廉，但最高传输速度为 83kbps；PCA82C251是性价比最为合理的一款CAN总线收发器，其价格较低且最高传输速度为1Mbps；TJA1040的性能较PCA82C251并没有多大的提高，只是它可由3.3V 供电，且其的电磁辐射较低；SN65HVD230具有良好抗干扰能力和高可靠性，由3.3V供电，最高速率可达1Mbps，但它主要是与带有CAN控制器的TMS320Lx240x系列DSP配套使用，且其价格较高。综合上述分析，本系统的CAN总线收发器采用Philips公司的PCA82C251。PCA82C251是较为常用的一款CAN 总线收发器，是CAN协议控制器和物理总线间的接口，它主要是为汽车中高速通讯(高于1Mbps)应用而设计。此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，完全符合“ISO11898”标准。PCA82C251的特点有：1) 完全符合“ISO11898”标准2) 高速率(最高达IMbps)3) 应用在汽车环境中具有抗瞬变的总线保护能力4) 信号上升沿和下降沿的斜率控制，以降低射频干扰(RFI)5) 差分接收器，在宽范围内具有抗共模干扰和抗电磁干扰(EMI)6) 过热保护7) 防止电池和地之间的发生短路8) 低电流待机模式9) 未上电的节点对总线无影响10) 可挂载110个节点为了增强 CAN 总线节点的抗干扰能力，AT90CAN32CAN 控制器的 TXD和 RXD 并不是直接与 PCA82C251 的 TXD 和 RXD 相连，而是通过高速光藕6N137 后与 PCA82C251 相连，这样就很好的实现了总线上各 CAN 节点间的电气隔离。2.4 智能温度传感器电源模块以及供电方式的选择正确选择电源表面上看似易如反掌，然而，随着需要多电源电压的电子产品的推出，这项工作变得愈发复杂。当选择实际系统中所需的电源时，必须考虑成本、解决方案的外形尺寸、输入输出的电压以及所需的输出功率等诸多因素。另外还要结合系统的实际需求来选择。目前市场上主要有两种类型的低电压电源芯片：线性稳压器(LDO) 和开关式(BUCK) 稳压器。线性稳压器成本低，电路简单，不易受电磁干扰，输出纹波小，但缺点是电源转换效率低，尤其是应用在低电压稳压电路中。而开关式稳压器的供电效率高，输入电压范围宽，输出功率大，可以缓启动，主要缺点是输出电压中纹波较大。本系统既有模拟电路，又有数字电路；而且用于 CAN 节