溫度測量系統的legal應用

介紹

現今有大量的傳感器用于溫度測量。Pt100正是一款被人所熟知的具有**的精度和線性度的傳感器。僅有的問題是需要一個高增益的高精度的放大器，而這大大的增加了系統的成本。

在不降低精度的前提下減少整個系統成本的方法是采用UTI(通用傳感器接口芯片)。這大大的簡化了傳感器與微處理器之間的硬件接口。UTI將模擬信號轉換為在邏輯層面可直接與微處理器輸入兼容的脈沖序列。達到14bits的精度滿足幾乎所有的應用并且不需                                               要采用昂貴的儀器用放大器和其他包括模數轉換在內的模擬電路。

而且在legal appllications中，需進行特別的測量以保證合適的系統機能。在提到的電路中，使用四線模式來測量PT100，因此排除了所有的寄生熱電偶，導線電阻和系統錯誤源。同時，一個100Ohm大的控制電阻用三線模式測量。這樣，程序運算法則就可以很容易的辨別出系統是否正常工作。

傳感器

標準的Pt100傳感器是用做溫度傳感器。參照和控制應該擁有杰出的溫度和長時間的穩定性。

功能

圖1中的電路板設計用來提供溫度測量和legal應用。溫度用四線模式測量，而控制用電阻用三線模式測量。結果通過一個三線的RS232接口傳給主機。可以采用UTI的快速或慢速模式。

具體電路描述

供電電壓

系統的供電電壓可以在8V到30V之間。采用一個固定的電壓整流器MC7805來為系統的數字部分提供必要的5V供電。模擬供電的+5V是由數字供電的整流得來。整個系統的耗電量接近20mA。

模擬部分

傳感器信號模擬情況的獲得與模擬到數字的轉變是由UTI實現的。電阻R1限制了通過Pt100傳感器的電流。很明顯，電流越大靈敏度越高。但另一方面，通過電流對傳感器的自熱效應也降低了系統的精度。這也是為何需要在大信號與自熱間做一個折衷。對一個200K/W（空氣中）的熱敏電阻來講，在0℃和2mA電流下，由于自熱現象造成的溫度錯誤是80Mk。這是A級Pt100初始精度的兩倍。在5V供電時，取得2mA的電流要求R1等于2.1KΩ。在這個模式下，UTI的非線性優于150ppm。

數字部分

Microchip的PIC16C73單芯片控制器做為這個工作在20MHz時鐘下的測量系統中的一個核心。非常低的成本和小封裝使得它對這樣一個系統非常有吸引力。它有一個集成的輸入計時功能，這大大簡化了對UTI輸出脈沖時序的測量。這使得在脈沖寬度測量時分辨率可以達到200ns。UTI的其他的控制信號由微處理器的通用目的輸出提供。

RS232接口

RS232接口是基于微控制器的SCI子系統。The 0-5V to TS232 levels translation is done by a single supply MAX232 interface chip. The standard non-return to zero standard is used, 傳輸率是19200波特，沒有奇偶校正，一個停止位。

消除EMC問題

低功耗本身導致了電磁兼容的問題。對來自供電線干擾的抑制由隔離電容完成。可以在供電線上安裝鐵氧體磁珠以獲得更進一步的減小。模擬供電部分與數字供電部分用一個低通濾波器隔離。PCB板上的所有連線都盡可能短以降低天線效應。一個固定的地層防止電流循環影響。

高頻信號由時鐘發生器提供，這也是為什么振蕩器總是被放置在離微處理器時鐘引腳越近的地方越好。進一步減小電磁輻射的方法是用地層將時鐘引線包圍起來。

程序運算法則

下圖給出了系統軟件的流程圖

程序分為兩個主要部分-PC通信程序和測量程序

PC通信程序：這部分程序負責PC通過RS232接口的通信。與SCI的中斷連接是不被允許的。

測量程序：UTI不同狀態的測量是基于PIC16C73的輸入獲取功能。在信號的上升沿到來時，16-bit數值timer被寄存在16-bit的寄存器中，之后被程序從那個寄存器中讀取。在每一個溢出中斷時，這個16-bit的timer和另外一個8-bit sell在軟件中疊加后創造出一個24位的counter。A dedicated software logic is implemented in order to eliminate the problem of eventually changing this sell between reading  the hardware Capture register and this “Most significant byte” of the timer。

計時器的溢出中斷是允許的，它的功能是增加這個“*重要的字節”sell以得到一個24-bit的timer系統。

系統表現

量化過程錯誤是：

快速模式：

-電阻-*小的數字是接近6500，這意味著高于12-bit的量化精度（5MHz 時鐘）

慢速模式：

-電阻-*小的數字是接近50000，這意味著高于15-bit的量化精度（5MHz 時鐘）

快速模式下的標準差是0.014%，慢速模式下的標準差是0.003（100個測量結果）。

結論

UTI的使用為在**測量溫度的同時**測量一個已知阻值的控制電阻提供了可能。這給在legal應用它提供了可能。使用UTI大大的簡化了傳感器和微處理器的接口連接。在沒有犧牲傳感器精度的情況下通過去掉昂貴的模擬元件，*終降低了總的系統成本。

PCB布線