基于ADuC847系統級芯片實現數顯溫度壓力測量系統的設計

1、概述

隨著數字化技術的深入發展，現今用的諸多測量設備已摒棄了陳舊的模擬指針儀表技術，向數字化過渡。尤其在腐蝕、振動場所及真空、微壓等測量中，傳統壓力溫度表精度低、損壞率高、不適宜長途運輸等諸多缺點，使得數字化技術的需求變得迫切。典型的例子就有測量電壓電流、流量、溫度、壓力等各類儀表。目前有關溫度壓力測量的數字儀表已經不再新鮮，但是如何設計使其達到理想的精度還值得推敲。本設計中采用電壓/電流源計算中抵消方法降低了電壓/電流源本身的誤差，提高了設計精度。設計的數顯壓力溫度表是現場在線測量儀表，它采用電池（3.3V）長期供電方式，無需外接電源，安裝方便。本設計的數顯溫度壓力測量根據不同的傳感器有不同的測量范圍。調試實驗中溫度測量范圍是零下20℃-105℃，壓力測量范圍是0PA—30MPA。

美國模擬器件公司（ADI）發布的MicroConverter數據采集與處理系統級芯片（SoC）——ADuC847。該系統級芯片在一顆單芯片內帶有24位Σ-Δ模數轉換器（ADC）和10個單端輸入通道（或5個完全差分輸入通道）多路復用器，集成了ADI公司精密數據轉換器、可編程微控制器（MCU）和閃速存儲器。這種高精密模擬技術集成一個高速微控制器內核，即嵌入了一個快速可編程的8位單指令周期的8052閃存MCU。這種器件消除了設計復雜性，同時又保持了極低噪聲，這對于精密儀器儀表應用來說非常關鍵，非常適合工業和儀器儀表應用中要求精確測量寬動態范圍低頻信號的應用場合，例如智能傳感器、溫度與壓力傳感器、4～20mA控制環路和病人監護。

2、ADuC847芯片管腳及功能模塊的介紹

下面先將ADuC847的部分管角及芯片結構做簡要介紹：

如下圖（1）中：

AIN0~AIN9：十個模擬輸入通道，輸入電壓可以選擇單極性或者雙極性（差分）方式；

Iexc1和Iexc2：驅動電流輸出，可以作為恒流源用于溫度測量電路的設計上；

REFIN—、REFIN＋和REFIN2—、REFIN＋是外部參考差分電壓輸入端；

PWM0/PWM1：脈寬調制波形輸出端；

PWMCLK：外部PWM時鐘信號輸入端；

P0.0-P0.7：雙向I/O口；

P2.0-P2.7，P3.0-P3.7：內部接有上拉電阻的雙向口；

RxD/TxD：UART串口收發端；

INT0/INT1：外部中斷輸入口，也可以作為Timeo/Time1的門控輸入口；

T0/T1：Timer/Counter0和Timer/Counter1的外部輸入；

SCLK （I2C）、SDATA：I2C接口的時鐘和數據口；

WR、RD：P0口外部存儲器的讀寫控制；

基于ADuC847系統級芯片實現數顯溫度壓力測量系統的設計

（1） ADuC847的管腳結構

功能模塊包含一個溫度傳感器、一個位于ADC之前以便直接測量低幅度信號的可編程增益放大器（PGA）、一個12位電壓輸出數模轉換器（DAC）、兩個靈活的脈寬調制（PWM）輸出、兩個電流源、一個基準電壓源、一個從32kHz晶振產生12.58MHz時鐘的振蕩器與鎖相環（PLL）以及UART、SPI和I2C通信端口。

3、溫度及壓力的測量電路設計原理

本設計包括溫度測量和壓力測量兩個部分，溫度測量采用熱電阻PT100作傳感器，壓力測量則采用壓力應變橋進行設計。電路設計基于ADuC847芯片的應用，下面圖（2）、圖（3）原理圖即為ADuC847應用的部分外圍電路。

溫度測量計算方法

Iexc為ADuC847輸出驅動電流（選200/400uA），Re+和RE-構成外部參考電壓差分輸入Vref；AN5-AN6兩端為熱敏電阻產生的電壓差：Vin，并經過放大G倍后送如ADC轉換。ADC的代碼為：

其實這個數據很好理解，這里將熱敏電阻的測量變成了和標準電阻Rref的比值的測量。當ADCnorm=1時，即R兩端的信號經放大后等于標準電阻兩端的電壓。由于參考電壓在AD847中有1.024的放大，所以這里4倍的放大就變成了4/1.024（3.90625）倍的放大，也既是當ADCnorm=1時，有3.90625R=5600， R=1433.60 ohm，該值就是P_scale0.

將PT100帶入相應的計算公式或查表，求出PT100當前值對應的溫度T。

如果不考慮非線性影響，可以直接利用線性近似來直接求出溫度T。比如鉑電阻可以這樣處理。但是熱敏電阻不可以這樣處理。

PT100的溫度特性如下：