基于LM3S101的新型两线制温度变送器的设计

摘  要： 介绍了一种基于ARM Cortex-M3的低功耗单片机LM3S101的新型智能二线制热电阻(Pt100)温度变送器的电路设计，分析了系统设计的理论依据和软硬件实现方案，并对非线性桥路进行了线性化设计。该智能二线制温度变送器具有精度高、可靠性好、现场显示、生产调试方便等特点，有着广泛的应用前景。
关键词： LM3S101；两线制；线性化；AD620；AD7457
       温度变送器广泛应用于工业中需要测温的场合，但传统的温度变送器是四线制、非智能化的，其精度、稳定性、可靠性较低，并且难以调试和维护。随着微电子技术的发展，两线制温度变送器的智能化势在必行[1]。
智能化两线制温度变送器测量精度高、稳定性好，但研制的关键是必须解决低功耗和线性化处理以及抗干扰问题，尤其是在4 mA～20 mA的传输规范要求下，如何保证电流为4 mA时温度变送器还能正常工作。目前市场上的两线制温度变送器，在非线性处理、抗干扰方面仍然存在一些不足。为此，本文提出采用高性能单片机LM3S101，结合仪表放大器AD620和A/D转换芯片AD7457，设计新型的两线制温度变送器。
1 系统硬件设计
1.1 系统总体结构及工作原理
     两线制温度变送器的总体结构如图1所示。传感器对信号源所产生的信号进行采集，然后通过放大器对信号进行放大处理，再由A/D转换模块完成A/D转换，转换后的数字信号，通过微控制器进行数据处理，最后再通过V/I转换模块把线性反映温度变化的信号，调制成电压信号后转换成相应的4 mA~20 mA电流信号，通过两线输出，将两线接入仪表，由仪表显示。整个系统可以分为信号采集模块、信号放大模块、数据运算模块和V/I转换四大模块。
   
   1.2 桥路测温原理及线性化
     桥图电路分析图如图2所示。由图2可得：

   
       如图3所示，令放大器与两个桥臂的交点处的电压为U，可得方程组：

1.3 模拟信号放大
     本设计采用了AD620仪表放大器对桥路输出的模拟信号进行放大。仪表放大器是在有噪声的环境下放大小信号的器件，其本身具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点，其利用的是差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性，既能够去除共模信号，而又同时能将差分信号放大。仪表放大器的关键参数是共模抑制比，这一性能可以用来衡量差分增益与共模衰减之比，主要应用于传感器接口、工业过程控制等领域。AD620是一种低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1~1 000。因为二线制温度变送器的最低电流为4 mA，在4 mA条件下必须能够正常工作，这就对器件的功耗要求比较高。而AD620最大的工作电流仅为1.3 mA，功耗非常低，可满足低功耗的要求。此外，AD620具有很高精度，它的最大非线性度达到了40 ppm，并且具有低失调电压和低失调漂移特性。所以本设计选用AD620作为电压信号的仪表放大器。AD620的应用电路如图4所示。
   
       如图4所示，AD620通过设置RG来调整增益，并且具有非常好的共模抑制比。线性化桥路的输出电压Vout1连接到AD620的管脚2，作为输入电压信号，AD620管脚3连接到管脚6的输出作为反馈。VS作为AD620的工作电压。Vout2为电压信号放大后的输出，进入A/D转换芯片AD7457，并将其转换成数字信号，送入微控制器。
1.4 A/D转换
     由仪表放大器放大后的电压信号，需要经过A/D转换成数字信号送入单片机。本设计选择TI公司生产的A/D转换芯片AD7457。AD7457芯片为12位低功耗、逐次逼近型(SAR)模数转换器，采用伪差分模拟输入，工作电压为2.7 V~5.25 V单电源，功耗非常低(最大为0.9 mW)。转换过程和数据采集过程通过CS及串行时钟进行控制，为器件与微处理器或DSP接口创造了条件。
1.5 LM3S101控制芯片
     LM3S101微控制器是基于ARM Cortex-M3控制器，它将高性能的32位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器应用中，能够方便地运用多种ARM的开发工具和片上系统(SoC)的底层IP应用方案。微控制器使用了兼容ARM的Thumb指令集Thumb2的指令集来减少存储容量的需求，并以此达到降低成本的目的。LM3S101具有14种中断并具有8个优先等级、单周期Flash、兼容ARM Firm的看门狗定时器、同步串行接口(SSI)和较低功耗等特性。与一般的PIC、AVR、C51单片机相比，在稳定性、数据处理、抗干扰等方面，更具优势。所以选择LM3S101作为处理数据的微控制器。LM3S101控制输出部分的电路设计如图5所示。
   
       如图5所示，XTR116u是4 mA~20 mA电流环路发送器，可以传送模拟4 mA~20 mA电流信号，符合工业电流环的标准；可提供精确电流刻度，并具有限定输出电流的功能。A和B为供电电压，由AD620放大后的电压信号VOUT2接入AD7457的管脚7，再由AD7457转换成数字信号，送入LM3S101芯片24管脚处，经LM3S101芯片数据处理后，由19管脚输出。XTR116u将LM3S101芯片处理后的信号转化成标准的4 mA~20 mA电流，由1和2两线输出，最后将1和2两线接入到仪表，并由仪表显示。
1.6 功耗计算
     AD7457芯片在工作电压为3 V的情况下，最大功耗为0.9 mW，最大工作电流为0.3 mA。LM3S101消耗电流为2 mA(工作电压3.3 V)。AD620最大工作电流为1.3 mA，XTR116u芯片的最大消耗电流为200 μA，其他元器件最大总消耗电流约0.2 mA，所以总消耗电流为：0.3 mA+2 mA+1.3 mA+0.2 mA＝3.8 mA<4 mA，满足了工作要求。
2 软件设计
     系统软件的设计包括：初始化及主程序模块、数据采集模块、数据处理及传送控制输出模块。其中数据采集过程中进行了滤波处理，处理了一些非正常的数据信号。数据采用多次采样求平均值的算法对采样值进行处理[4]，在数据处理中进行了线性化的软件设计，最后信号用PWM方式输出。软件设计流程图如图6所示。
   
   

     实验中，取0~200℃之间的理想曲线，将式(3)迭代函数在Matlab中编程，得到理想曲线；在0~200℃之间，每隔5℃取一采样值，与理想阻值比较，并将采样点连接。实验结果如图7所示。由图可以看出，采样所得曲线与理想曲线基本吻合，精确度高。
   
       本文介绍了基于LM3S101单片机的新型二线制温度变送器，在设计过程中对测温桥路进行了线性化的改进，并采用高性能单片机LM3S101对数据进行处理，使其测温结果精度高、抗干扰能力强、稳定性好。由于采用两线制，降低了成本，因而在工业生产中得到了广泛应用。
参考文献
[1] 杨振江.智能仪器与数据采集中的新器件及应用[M].西安：西安电子电子科技大学出版社，2001.
[2] 孙海.S系列智能温度变送器的设计与实现[J].化工自动化及仪表，2004，(4)：55-58.
[3] 徐军，李欣.基于PIC16F877的新型二线制变送器[J].仪器仪表学报，2003，24(4)：154-156.
[4] 郝祖龙.基于HART总线智能变送器的电源分析与设计[J].现代电力，2005，22(6)：53-56.
[5] COHEN T. Leadership challenges in clinical and information services [J]. Biomedical Instrumentation and Technology， 2003， 37(4)： 259-262.

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