PSOC在高精度溫度測(cè)量中的應(yīng)用

吳東艷，韓喜春，高旭東

（黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

溫度測(cè)量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、國(guó)防和科研等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，高精度溫度測(cè)量一般采用鉑電阻溫度傳感器。由于鉑電阻溫度傳感器具有一定的非線性，使得溫度測(cè)量的精度受到限制。研制精度高、造價(jià)低、功能強(qiáng)、使用便捷的溫度測(cè)量?jī)x一直是人們追求的目標(biāo)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有許多模擬與數(shù)字混合處理器可以完成此項(xiàng)任務(wù)。本設(shè)計(jì)采用Cypress公司生產(chǎn)的PSOC系列芯片進(jìn)行高精度鉑電阻溫度測(cè)量。PSOC（Programmable System on Chip）作為一款新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，它在原8051核和ARM Cortex－M3核的基礎(chǔ)上，在芯片的PLD實(shí)現(xiàn)可配置的固件元件提供給用戶，使設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目需求靈活選擇可配置外設(shè)與微處理器自動(dòng)連接。利用PSOC提供的模擬和數(shù)字資源，設(shè)計(jì)者也可以自己定制需要的特殊元件。PSOC集成開發(fā)環(huán)境帶有100個(gè)左右的嵌入式設(shè)計(jì)中常有的外圍器件，能夠滿足大多數(shù)項(xiàng)目需求。特別是它提供的高精度模擬和模擬數(shù)字混合外設(shè)元件，是該器件的主要特色。采用PSOC高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。只使用PSOC5單芯片，就可以完成30多路溫度測(cè)量［1－2］（受芯片引腳限制）。

圖1 PSOC溫度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 PSOC溫度測(cè)量固件原理圖設(shè)計(jì)和測(cè)量原理

PSOC鉑電阻溫度測(cè)量的原理如圖2所示。PSOC原理圖設(shè)計(jì)非常方便，在工作空間瀏覽器中打開TopDesign.cysch文件，在元件庫(kù)中選擇元件放置到畫布，然后進(jìn)行元件參數(shù)配置，需要連線的與其它器件連線，有些器件不需要連線。畫完原理圖后，打開文件＊.cydwr進(jìn)行引腳鎖定（分配引腳）。RTD元件的4個(gè)引腳連接到4線制連接的鉑電阻溫度傳感器的接線端子。本設(shè)計(jì)進(jìn)行9路溫度檢測(cè)（模擬開關(guān)序號(hào)0～8），其中第10路作為測(cè)量基準(zhǔn)（模擬開關(guān)序號(hào)9），校準(zhǔn)電阻為100Ω。要測(cè)量某一路溫度時(shí)，例如序號(hào)為2，設(shè)置電流型數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器IDAC電流輸出為0，控制器通過向兩個(gè)模擬開關(guān)送入9，使模擬多路開關(guān)CurrentMux與基準(zhǔn)電阻接通，基準(zhǔn)電阻兩端的輸出電壓通過模擬開關(guān)ADCMUX與可編程增益放大器PGA＿1和PGA＿2組成的差動(dòng)放大器相連進(jìn)行兩倍放大，PGA＿3增益設(shè)置為3，PGA＿4的增益設(shè)置為5，這樣總的增益為30。ADC內(nèi)的PGA增益為1，電壓信號(hào)輸入到ADC后，測(cè)得基準(zhǔn)電阻在零電流時(shí)的電壓值。將兩個(gè)模擬開關(guān)切換到序號(hào)為2，測(cè)得該路RTD在零電流時(shí)的電壓值。再將IDAC設(shè)置電流為100μA，分別測(cè)量出基準(zhǔn)電阻和RTD的對(duì)應(yīng)電壓值。用RTD測(cè)得的兩個(gè)電壓差值除以基準(zhǔn)電阻的兩個(gè)電壓差值，就得出在該溫度下RTD的電阻值。把RTD電阻值帶入PSOC系統(tǒng)提供的高階多項(xiàng)式就可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值。PSOC中的RTD是一個(gè)虛擬元件，它提供了RTD在PSOC中的配置、高階多項(xiàng)式的系數(shù)和溫度計(jì)算API函數(shù)，它的4個(gè)引腳分別與外部真實(shí)的4線鉑電阻RTD相連?？删幊谭糯笃鱌GA用于對(duì)RTD輸出電壓信號(hào)放大，可根據(jù)溫度測(cè)量范圍在運(yùn)行時(shí)修改放大器增益。圖中的液晶顯示屏LCD元件用于本地顯示測(cè)量結(jié)果，配置參數(shù)選擇缺省值。通用串行接口元件UART經(jīng)過Tx和Rx引腳連接到外部的RS485芯片用于與上位機(jī)進(jìn)行通信。

圖2 鉑電阻溫度測(cè)量固件原理

2 PSOC溫度測(cè)量的元件參數(shù)設(shè)置

PSOC的固件元件應(yīng)用起來很靈活，大多數(shù)元件都有一些配置參數(shù)，這些參數(shù)可以在設(shè)計(jì)時(shí)配置，也可以在程序運(yùn)行時(shí)修改配置，下面介紹幾個(gè)元件的配置方法和參數(shù)。

2.1 鉑電阻RTD的配置

RTD的參數(shù)配置如圖3所示。設(shè)置最低溫度為－60℃，最高溫度為500℃，選擇多項(xiàng)式為4階。

2.2 模擬多路開關(guān)的參數(shù)配置

CurrentMux和ADCMUX是同一種類模擬開關(guān)器件。它只有兩個(gè)參數(shù)，模擬通道Channels，取值范圍為0～31，選擇9；開關(guān)類型 MuxType，可以取值單端Single或差分Differential，選擇差分。

2.3 電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器IDAC配置

IDAC配置見圖4。IDAC是8位電流輸出型DAC，IDAC電流極性選擇為正Positive（流出），電流范圍為255μA，速度為高速，數(shù)據(jù)源為CPU或DMA，選通模式為寄存器寫。

圖4 IDAC的屬性配置

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的配置

ADC的配置見圖5。PSOC5具有兩個(gè)12位SAR和1個(gè)8～20位DelSig型ADC。本設(shè)計(jì)采用DelSig型ADC。這個(gè)ADC具有4個(gè)可以單獨(dú)運(yùn)行的配置，本設(shè)計(jì)只使用Config 1。轉(zhuǎn)換模式選擇多采樣，分辨率選擇20位，轉(zhuǎn)換率選擇30，輸入模式選擇差分，輸入范圍選擇±1.024V，緩沖放大增益選擇1，參考電壓為1.024V。

圖5 ADC的屬性配置

2.5 程序控制增益放大器PGA配置

PGA的配置如圖6所示。PGA的增益可以在1～50之間選擇設(shè)置值，功率設(shè)置為高功率，參考設(shè)置為接地。

圖6 PGA的屬性配置

3 PSOC溫度測(cè)量的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的鉑電阻RTD［3］為Pt100，采用4線制電阻比較測(cè)量法。根據(jù)IEC 60751標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)級(jí)RTD的測(cè)溫范圍一般為－200～850℃：

當(dāng)T＞0時(shí)，

當(dāng)T＜0時(shí)，

在溫度大于0℃和小于0℃兩個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，根據(jù)溫度與電阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用Matlab或其它數(shù)學(xué)工具，采用曲線擬合的方法，計(jì)算出溫度隨電阻值變化的溫度大于0和小于0兩個(gè)多項(xiàng)式。多項(xiàng)式階數(shù)越高，計(jì)算出的溫度越精確。采用5階多項(xiàng)式，精度可以達(dá)到0.002℃，但是需要更多的CPU執(zhí)行周期。如果在全量程－200～850℃范圍內(nèi)達(dá)到0.002℃的精度，采用1個(gè)多項(xiàng)式擬合，需要10階以上的多項(xiàng)式，計(jì)算量很大。

在一般的4線 RTD測(cè)量中，Rt＝Vt／It，要求所使用的電流源和ADC具有很低的失調(diào)和非線性，這很難做到，所以直接進(jìn)行測(cè)量得不到高精度。采用參考電阻的方法可以克服上述難題［4－5］。參考電阻法（見圖2）使測(cè)量誤差只依賴于參考電阻（精度取0.1%或0.01%的電阻）的精度。IDAC產(chǎn)生的恒定電流流過參考電阻（圖2中為R＿1）產(chǎn)生參考電壓Vref，通過Rt產(chǎn)生電壓Vt，則RTD電阻值為Rt＝Vt／Vref。消除失調(diào)誤差采用的是相關(guān)雙采樣法（correlated double sampling，CDS），計(jì)算電阻的方程為

式中：Rt為測(cè)量出的RTD阻值，Vt和Vref為恒定電流時(shí)Rt和Rref兩端的電壓，V0為ADC輸入為0時(shí)（IDAC＝0時(shí)）測(cè)量的電壓值，Rref為參考電阻。從式（3）可以看出，IDAC產(chǎn)生的失調(diào)電流對(duì)測(cè)量不產(chǎn)生影響。參考電阻的精度決定了Rt的測(cè)量精度，選擇合適阻值的高精度參考電阻要根據(jù)IDAC設(shè)置的電流值、IDAC的等效內(nèi)阻，Rt在全量程范圍內(nèi)的阻值變化。電流值選的較大，可能在電阻中產(chǎn)生熱噪聲，使電阻值發(fā)生變化影響測(cè)量精度，這里選擇電流值為100μA。參考電阻選擇100Ω，這樣Vref大約為10mV。Rt在整個(gè)量程最大值大約350Ω，Vt大約為35mV。每度大約產(chǎn)生40μV電壓變化。ADC的分辨率為20位，基準(zhǔn)電壓為1.024V，得出1.024LSB／μV。選 擇 PGA 總 的 增 益 為G＝1 024mV／35mV＝29，ADC的增益為1，得出每度引起大約40LSB變化，能夠保證誤差在0.025℃以內(nèi)。

通過以上分析和設(shè)置，就可開始進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)了。PSOC的溫度測(cè)量軟件流程如圖7所示。PSOC的突出特點(diǎn)就是軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，根本不需要知道使用的元件的構(gòu)成，只需要知道一些參數(shù)即可通過系統(tǒng)提供的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)元件的控制。一般的程序只需要編寫兩類函數(shù)：中斷函數(shù)和main函數(shù)。設(shè)計(jì)好原理圖后，就可以通過編譯在工作空間瀏覽器中生成各個(gè)元件的C語言文件和頭文件。如果元件可以產(chǎn)生中斷，在C語言文件中就會(huì)產(chǎn)生中斷程序框架，只要在這個(gè)中斷子程序框架內(nèi)的放置代碼提示信息位置輸入你的中斷程序代碼即可［6］。在main函數(shù)中根據(jù)你的任務(wù)流程圖編寫出整個(gè)項(xiàng)目的控制源代碼，在代碼中調(diào)用了許多系統(tǒng)生成的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)元件的控制，中斷和一些元件需要運(yùn)行與元件相關(guān)的API函數(shù)啟動(dòng)，例如ADC的啟動(dòng)函數(shù)為 ADC＿Start（）。

圖7 PSOC的溫度測(cè)量流程

RTD（如RTD＿3）編譯后生成的 RTD＿3.h中包含計(jì)算電阻值的多項(xiàng)式的系數(shù)和溫度測(cè)量上下限的定義如下：

＃define RTD＿2＿M(jìn)in＿Temp －60

＃define RTD＿2＿M(jìn)ax＿Temp 500

＃define RTD＿2＿a0 0

＃define RTD＿2＿a1 1.188 836E－09

＃define RTD＿2＿a2 1.639 674E－07

＃define RTD＿2＿a3 0.000 853 651 1

＃define RTD＿2＿a4 2.378 062

＃define RTD＿2＿a5 －246.624 2

＃define RTD＿2＿b0 0

＃define RTD＿2＿b1 3.682 02E－08

＃define RTD＿2＿b2 －1.592 382E－05

＃define RTD＿2＿b3 0.003 534 13

＃define RTD＿2＿b4 2.182 261

＃define RTD＿2＿b5 －241.325 6

其中a，b為多項(xiàng)式系數(shù)。RTD＿3.c中包含計(jì)算溫度值得API函數(shù)如下：

float RTD＿3＿RtoT（float Res）

｛

float Temp；

if（Res＞100）

｛

Temp＝ （（（（RTD＿3＿a0 ＊ Res＋ RTD＿3＿a1）＊Res＋ RTD＿3＿a2）＊Res＋ RTD＿3＿a3）＊Res＋ RTD＿3＿a4）＊ Res＋ RTD＿3＿a5；

｝

else

｛

Temp＝ （（（（RTD＿3＿b0＊ Res＋ RTD＿3＿b1）＊Res＋ RTD＿3＿b2）＊Res＋ RTD＿3＿b3）＊Res＋ RTD＿3＿b4）＊ Res＋ RTD＿3＿b5；

｝

return Temp；

｝

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成PSOC溫度測(cè)量設(shè)計(jì)后，受實(shí)驗(yàn)條件限制，只在室內(nèi)用水和0.1℃精度的水銀溫度計(jì)在10～70℃溫度范圍進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)溫度中小數(shù)點(diǎn)后第2位數(shù)字為不準(zhǔn)確的讀數(shù)結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如表1所示。在測(cè)試范圍內(nèi)，誤差不超過0.2℃。

5 結(jié)束語

通過實(shí)例驗(yàn)證，基于PSOC的RTD測(cè)量具有測(cè)量精度高，單一核心器件完成整個(gè)設(shè)計(jì)，與其他方案比較具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在Creator圖形化集成開發(fā)環(huán)境支持下，利用PSOC開發(fā)計(jì)量設(shè)備，具有集成度高、造價(jià)低、開發(fā)周期短和可靠性高等特點(diǎn)。PSOC是嵌入式設(shè)計(jì)中很有發(fā)展前途的混合信號(hào)處理器，值得在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、教育和國(guó)防科技等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

表1 溫度測(cè)試數(shù)據(jù) ℃

［1］Cypress Semiconductor.PSoC Development kit Guide［EB／OL］.http：／／china.cypress.com／？ID＝38240＠113.Feb，2011.

［2］何賓.可編程片上系統(tǒng)PSoC設(shè)計(jì)指南［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［3］Praveen Sekar.Temperature Measurement with RTDs［EB／OL］.http：／／www.cypress.com／？rID＝57546.Feb，2012.

［4］許卓，楊雷，何志偉.AD7715在多通道熱電阻精密測(cè)量中的應(yīng)用［J］.電測(cè)與儀表，2010，47（12）：16－19.

［5］吳茂成.高精度寬范圍恒流源設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2011，48（1）：64－66.

［6］韓喜春，高旭東，張春燕.基于PSOC的通用計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，25（3）：48－52.