14 - bit 4 - 20mA loop - powered thermocouple temperature measurement system circuit

توابع مدار و مزایای

مدار نشان داده شده در شکل ۱ یک سیستم اندازه گیری دمای ترموکوپل با حلقه کامل است که از یک تابع دقیق میکروکنترلر آنالوگ PWM برای کنترل جریان خروجی ۴ میلی ای تا ۲۰ میلی آگابا استفاده می کند.

شکل 1. ADuCM360 کنترل 4 mA به 20 میلی متر مکعب حلقه مبتنی بر مدار نظارت بر دما (نمودار شماتیک: نشان داده نشده تمام اتصالات و decoupling)

این مدار بسیاری از توابع مدار را بر روی میکروکنترلرهای آنالوگ دقیق ADuCM360 ادغام می کند، از جمله یک حلقه دوگانه Δ-Δ ADC، یک هسته پردازنده ARM cortex ™ -M3، و یک حلقه کنترل ولتاژ ۴ کاناله تا ۲۸ V MA تا ۲۰ میلی متر مکعب حلقه PWM / ویژگی های DAC، ارائه یک راه حل نظارت بر دمای کم هزینه.

ADuCM360 به یک ترموکوپل نوع T و یک آشکارساز دمای مقاومت Ω پلاتین (RTD) متصل است. RTD برای جبران اتصال سرد استفاده می شود. هسته کم قدرت کورتکسی-ام۳ خوانش های ADC را به مقادیر دما تبدیل می کند. محدوده دمایی ترموکوپل نوع T پشتیبانی شده ۲۰۰- درجه سانتی گراد تا + ۳۵۰ درجه سانتی گراد است و این محدوده دما با یک محدوده جریان خروجی ۴mA تا ۲۰mA مطابقت دارد.

این مدار مشابه مدار توصیف شده در مدار نوت CN-0300 است، اما این مدار مزیت رانندگی یک حلقه ۴mA تا ۲۰mA با وضوح بالاتر PWM را دارد. خروجی مبتنی بر PWM وضوح ۱۴ بیتی را فراهم می کند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد سنسور دما به ADC رابط و تکنیک های خطی سازی برای اندازه گیری RTD، به مدار توجه داشته باشید CN-0300 و توجه داشته باشید برنامه AN-0970 مراجعه کنید.

شرح مدار

این مدار توسط یک تنظیم کننده خطی به نام ADP1720 تغذیه می شود که عرضه حلقه را به ۳٫۳ V تنظیم می کند تا قدرت را به ADuCM360، op amp OP193، و مرجع اختیاری ADR3412 عرضه کند.

مانیتور دما

این بخش از مدار مشابه مدار مانیتور دما است که در CN-0300 توصیف شده است، با استفاده از ویژگی های زیر ADuCM360:

سیگما-دلتا ADC ۲۴ بیتی دارای PGA داخلی است که سود ۳۲ را برای ترموکوپل و RTD در نرم افزار تعیین می کند. ADC1 به طور مداوم بین نمونه های ولتاژ ترموکوپل و RTD سوئیچ می کند.

منبع جریان تحریک قابل برنامه ریزی یک جریان کنترل شده را از طریق RTD رانندگی می کند. منبع جریان دو کاناله را می توان با یک گام از 0μA تا 2mA پیکربندی کرد. این مثال از یک تنظیم ۲۰۰μA برای به حداقل رساندن خطاهای ناشی از اثر خود گرم کننده RTD استفاده می کند.

ADCs در ADuCM360 دارای یک مرجع ساخته شده در 1.2 V. مرجع ولتاژ داخلی دقت بالایی دارد و برای اندازه گیری ولتاژهای ترموکوپل مناسب است.

یک مرجع خارجی برای ADC در ADuCM360. هنگام اندازه گیری مقاومت های RTD، از یک تنظیم نسبت سنجی برای اتصال یک مقاومت مرجع خارجی (RREF) به VREF + خارجی و VREF- پین ها استفاده می کنیم. از آنجا که منبع ولتاژ مرجع در این مدار مانع بالایی است، لازم است بافر ورودی ولتاژ مرجع بر روی تراشه فعال شود. یک بافر مرجع روی تراشه به این معنی است که هیچ بافر خارجی برای به حداقل رساندن اثرات نشت ورودی مورد نیاز نیست.

بایاس ژنراتور ولتاژ (VBIAS). تابع VBIAS استفاده می شود برای تنظیم ترموکوپل ولتاژ حالت مشترک به AVDD_REG / 2 (900 میلی ولت). به همین ترتیب، این کار نیاز به مقاومت های خارجی برای تنظیم ولتاژ حالت مشترک ترموکوپل را از بین می برد.

ARM Cortex-M3 core. هسته قدرتمند ۳۲ بیتی ARM ۱۲۶ کیلوبایت حافظه فلش و ۸ کیلوبایت حافظه SRAM را برای اجرای کد کاربر، پیکربندی و کنترل ADC ادغام می کند و از ADC برای تبدیل ورودی های ترموکوپل و RTD به ارزش دمای نهایی استفاده می کند. همچنین خروجی PWM را کنترل می کند تا یک حلقه ۴ میلی ای تا ۲۰ میلیA را رانندگی کند. همچنین می تواند ارتباط بر روی رابط UART / USB برای اهداف اشکال زدایی اضافی کنترل.

ارتباطات

خروجی ۱۶ بیتی PWM با استفاده از OP193 به صورت خارجی بافر می شود و ترانزیستور خارجی NPN BC548 کنترل می شود. با کنترل ولتاژ VBE این ترانزیستور می توان جریان را از طریق مقاومت بار ۴۷٫۵Ω به مقدار مورد نظر تنظیم کرد. این امر بهتر از ± 0.5 درجه سانتی گراد برای خروجی 4 میلی ای تا 20 میلی اتیو (200- درجه سانتی گراد تا + 350 درجه سانتی گراد، نتایج آزمون مرجع) را فراهم می کند.

DAC داخلی یک مرجع ۱٫۲ V برای OP193 فراهم می کند. متناوبا, 1.2 V مرجع دقیق ADR3412 می تواند مورد استفاده قرار گیرد برای رسیدن به دقت بالاتر بیش از محدوده دما. مرجع خارجی تقریباً همان مصرف برق DAC داخلی (~ 50 μA) را ترسیم می کند. بخش «آزمون اندازه گیری قدرت» را ببینید.

بر روی تراشه 16 بیتی PWM (مدولاسیون پالس عرض) کنترل حلقه 4 میلی ای تا 20 میلیA را از طریق ADuCM360. چرخه وظیفه PWM را می توان توسط نرم افزار پیکربندی شده برای کنترل ولتاژ بر روی مقاومت 47.5 Ω RLOOP و تنظیم جریان حلقه. توجه داشته باشید که بالای RLOOP به زمین ADuCM360 متصل است. پایین RLOOP زمین حلقه را به هم متصل می کند. به همین دلیل، جریان های خروجی ADuCM360، ADP1720، ADR3412، و OP193، به علاوه جریان تنظیم شده توسط خروجی PWM فیلتر شده، از طریق RLOOP جریان دارند.

ولتاژ اتصال R1 و R2 را می توان به این عنوان بیان کرد:

VR12 = (VRLOOP + VREF) x R2 / (R1 + R2) - VRLOOP

پس از برقرار شدن حلقه:

VIN = VR12

از آنجا که R1 = R2 :

VIN = (VRLOOP + VREF) / 2 - VRLOOP = VREF / 2 - VRLOOP / 2

VRLOOP = VREF - 2VIN

When VIN = 0 when the full-scale current flow, this time VRLOOP = VREF. بنابراین، جریان تمام عیار VREF / RLOOP، یا ≈24 mA است. هنگامی که VIN = VREF / 2 ، هیچ جریان جریان.

impedance تقویت کننده OP193 در VIN بسیار بالا است و خروجی فیلتر PWM را بارگذاری نمی کند. خروجی تقویت کننده تنها کمی تغییر می کند، حدود ۰٫۷ وات.

عملکرد در مرز (۰ میلی آمپر تا ۴ میلی آمپر و ۲۰ میلی آمپر تا ۲۴ میلی آمپر) بی اهمیت است، بنابراین عملکرد تقویت کننده عملیاتی در ریل عرضه بحرانی نیست.

مقادیر مطلق R1 و R2 بی اهمیت هستند. با این حال تطبیق R1 و R2 مهم است.

ADC1 برای اندازه گیری دما استفاده می شود، بنابراین این یادداشت مدار به طور مستقیم در ADuCM361 تنها با یک ADC اعمال می شود. هیئت ارزیابی EVAL-CN0319-EB1Z شامل یک گزینه اندازه گیری ولتاژ با برچسب VR12 با استفاده از کانال ورودی ADC0 بر روی ADuCM360 است. اندازه گیری ADC را می توان برای بازخورد نرم افزار کنترل PWM استفاده می شود، تنظیم 4 میلیA به 20 میلی متر در حال حاضر تنظیم.

برنامه نویسی، اشکال زدایی و تست

UART به عنوان رابط ارتباطی با کامپیوتر میزبان استفاده می شود. این است که برای برنامه بر روی تراشه حافظه فلش استفاده می شود. همچنین به عنوان یک پورت اشکال زدایی برای کالیبره کردن خروجی های PWM فیلتر شده عمل می کند.

از دو سوئیچ خارجی برای وادار کردن دستگاه به حالت Flash Boot استفاده می شود. در حالی که SD کم است و دکمه RESET به صورت toggled است، ADuCM360 به جای حالت کاربر عادی وارد حالت بوت می شود. در حالت بوت، حافظه فلش داخلی را می توان از طریق رابط UART دوباره برنامه سازی کرد.

شرح کد

کد منبع برای تست این مدار را می توان از صفحات محصول ADuCM360 و ADuCM361 (آرشیو زیپ) دانلود کرد. کد منبع از کتابخانه های ارائه شده با کد نمونه استفاده می کند.

شکل 2 لیست فایل های منبع مورد استفاده در پروژه را هنگامی که با ابزار Keil μVision4 مشاهده می شود را نشان می دهد.

مانیتور دما

ADC1 برای اندازه گیری دما بر روی ترموکوپل ها و RTDها استفاده می شود. این بخش از کد از یادداشت مدار CN-0300 کپی شده است. توجه داشته باشید مدار برای جزئیات مراجعه کنید.

بخش ارتباطی

تنظیم خروجی فیلتر PWM برای اطمینان از حداقل دمای خروجی 4mA و حداکثر دمای خروجی 20mA. یک روال کالیبراسیون را فراهم می کند که می تواند به راحتی با استفاده از پارامتر کالیبراتPWM #define حذف شود.

برای کالیبره کردن PWM، تخته رابط (USB-SWD / UART) باید به J1 و پورت USB بر روی کامپیوتر متصل شود. شما می توانید از برنامه نمایش پورت COM مانند HyperTerminal برای مشاهده منوی کالیبراسیون و انجام روش کالیبراسیون گام به گام استفاده کنید.

هنگام کالیبره کردن PWM، خروجی های VLOOP + و VLOOP را به یک آممتر دقیق متصل کنید. بخش اول روش کالیبراسیون PWM DAC را تنظیم می کند تا خروجی ۲۰mA را تنظیم کند، در حالی که بخش دوم PWM را تنظیم می کند تا خروجی ۲۰mA را تنظیم کند. کدهای PWM مورد استفاده برای تنظیم خروجی های 4mA و 20mA در حافظه فلش ذخیره می شوند.

پیکربندی UART برای نرخ baud 19200،8 بیت داده، بدون قطبیت، بدون کنترل جریان. اگر این مدار به طور مستقیم به PC متصل است، شما می توانید از HyperTerminal یا CoolTerm و دیگر برنامه های مشاهده پورت ارتباطی برای دیدن نتایج برنامه ارسال شده به UART استفاده کنید، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

برای وارد کردن کاراکترهای مورد نیاز برای روش کالیبراسیون، کاراکتر مورد نظر را در ترمینال مشاهده تایپ کنید و پورت ADuCM360UART کاراکتر را دریافت خواهد کرد.

شکل 3. خروجی "HyperTerminal" هنگام کالیبره کردن PWM

پس از کالیبراسیون، کد تظاهرات ساعت UART را خاموش می کند و قدرت را بیشتر صرفه جویی می کند.

عامل کالیبراسیون در حافظه فلش ذخیره می شود، بنابراین لازم نیست که هر بار که تخته برق می شود روال کالیبراسیون را اجرا کنیم، مگر اینکه سطح VLOOP تغییر کند.

نمودار جریان کد در شکل ۴ نشان داده شده است.