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UTI芯片在PT100数字化应用

日期:2019-08-24 17:33
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摘要:

温度测量系统的legal应用

介绍

现今有大量的传感器用于温度测量。Pt100正是一款被人所熟知的具有卓越的精度和线性度的传感器。仅有的问题是需要一个高增益的高精度的放大器,而这大大的增加了系统的成本。

在不降低精度的前提下减少整个系统成本的方法是采用UTI(通用传感器接口芯片)。这大大的简化了传感器与微处理器之间的硬件接口。UTI将模拟信号转换为在逻辑层面可直接与微处理器输入兼容的脉冲序列。达到14bits的精度满足几乎所有的应用并且不需                                               要采用昂贵的仪器用放大器和其他包括模数转换在内的模拟电路。

 

而且在legal appllications中,需进行特别的测量以保证合适的系统机能。在提到的电路中,使用四线模式来测量PT100,因此排除了所有的寄生热电偶,导线电阻和系统错误源。同时,一个100Ohm大的控制电阻用三线模式测量。这样,程序运算法则就可以很容易的辨别出系统是否正常工作。

 

传感器

标准的Pt100传感器是用做温度传感器。参照和控制应该拥有杰出的温度和长时间的稳定性。

 

功能

图1中的电路板设计用来提供温度测量和legal应用。温度用四线模式测量,而控制用电阻用三线模式测量。结果通过一个三线的RS232接口传给主机。可以采用UTI的快速或慢速模式。

 

具体电路描述

 

供电电压

 

系统的供电电压可以在8V到30V之间。采用一个固定的电压整流器MC7805来为系统的数字部分提供必要的5V供电。模拟供电的+5V是由数字供电的整流得来。整个系统的耗电量接近20mA。

模拟部分

传感器信号模拟情况的获得与模拟到数字的转变是由UTI实现的。电阻R1限制了通过Pt100传感器的电流。很明显,电流越大灵敏度越高。但另一方面,通过电流对传感器的自热效应也降低了系统的精度。这也是为何需要在大信号与自热间做一个折衷。对一个200K/W(空气中)的热敏电阻来讲,在0℃和2mA电流下,由于自热现象造成的温度错误是80Mk。这是A级Pt100初始精度的两倍。在5V供电时,取得2mA的电流要求R1等于2.1KΩ。在这个模式下,UTI的非线性优于150ppm。

 

数字部分

 

Microchip的PIC16C73单芯片控制器做为这个工作在20MHz时钟下的测量系统中的一个核心。非常低的成本和小封装使得它对这样一个系统非常有吸引力。它有一个集成的输入计时功能,这大大简化了对UTI输出脉冲时序的测量。这使得在脉冲宽度测量时分辨率可以达到200ns。UTI的其他的控制信号由微处理器的通用目的输出提供。

 

RS232接口

 

RS232接口是基于微控制器的SCI子系统。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, 传输率是19200波特,没有奇偶校正,一个停止位。

 

 

消除EMC问题

 

低功耗本身导致了电磁兼容的问题。对来自供电线干扰的抑制由隔离电容完成。可以在供电线上安装铁氧体磁珠以获得更进一步的减小。模拟供电部分与数字供电部分用一个低通滤波器隔离。PCB板上的所有连线都尽可能短以降低天线效应。一个固定的地层防止电流循环影响。

 

高频信号由时钟发生器提供,这也是为什么振荡器总是被放置在离微处理器时钟引脚越近的地方越好。进一步减小电磁辐射的方法是用地层将时钟引线包围起来。

 

程序运算法则

下图给出了系统软件的流程图

程序分为两个主要部分-PC通信程序和测量程序

PC通信程序:这部分程序负责PC通过RS232接口的通信。与SCI的中断连接是不被允许的。

测量程序:UTI不同状态的测量是基于PIC16C73的输入获取功能。在信号的上升沿到来时,16-bit数值timer被寄存在16-bit的寄存器中,之后被程序从那个寄存器中读取。在每一个溢出中断时,这个16-bit的timer和另外一个8-bit sell在软件中叠加后创造出一个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

计时器的溢出中断是允许的,它的功能是增加这个“*重要的字节”sell以得到一个24-bit的timer系统。

 

系统表现

量化过程错误是:

快速模式:

-电阻-*小的数字是接近6500,这意味着高于12-bit的量化精度(5MHz 时钟)

慢速模式:

-电阻-*小的数字是接近50000,这意味着高于15-bit的量化精度(5MHz 时钟)

快速模式下的标准差是0.014%,慢速模式下的标准差是0.003(100个测量结果)。

 

结论

UTI的使用为在**测量温度的同时**测量一个已知阻值的控制电阻提供了可能。这给在legal应用它提供了可能。使用UTI大大的简化了传感器和微处理器的接口连接。在没有牺牲传感器精度的情况下通过去掉昂贵的模拟元件,*终降低了总的系统成本。

PCB布线

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