高精度温度芯片Si7051在热电偶补偿中的应用
2020-03-02王昌世
王昌世
摘要：热电偶（Tc）测温是温控仪必备的功能。Tc测温需进行冷端温度补偿，补偿的精度决定着TC的测温精度。本文要介绍的就是用Si7051所测量的TC冷端温度，来对TC进行温度补偿，使TC的测温精度能达到或接近0.1度℃。重点是讲述用STM32F103CBT6单片机从I2c总线读取Si7O51芯片中的温度编码值，即编程。涉及TC补偿原理、Si7O51与STM32单片机的I2C接口电路与和程序流程。
关键词：高精度热电偶补偿;Si7O51;STM32F103;I2C总线;程序流程
Si7051是一款较新的、性价比较高的器件，虽批量价仅为10元/片，可经试用，其对TC补偿的作用却很大，很有效。但目前，在国内未见相关应用介绍（经网上检索）。想必，此文的创新应用，会助力国内TC测温技术的进步。
1补偿原理
把TC的两端分为冷端（接入线路的那一端）和热端（测温对象所在端）。令TC冷端温度为Ct，TC的输出温为乃，则TC的热端温度（即测量温度）Mt=Ct+Tt。补偿的关键在于冷端和Si7051感温尽可能做到同温。假如不完全相同，则应注意这个温差校正。
此前，我们用LM75A温度芯片测量ct。但由于它的精度较低（在20℃～+100℃全量程范围，最大误差达2℃，分辨率为0.5℃（即，其小数位只能是O或0.5）），使得Mt值不仅包含同样的误差，而且时常有0.5℃的跳变。这使得温控仪达到0.1℃的控温精度变得不可能。
2Si7051介绍
此芯片由美国Silicon Labs（即芯科科技）公司生产，已先后发布8个版本，最新的1.15版，在2018-09发布。
2.1主要性能特征
1）高精度。测温精度分3段：
±0.1℃;+35.8℃～41℃（人体温度范围）;
±0.13℃;20.0℃～70.0℃（准环境温度范围）：
±0.25℃：-40℃～+125℃（全量程）。
第2段是温控仪（TC冷端）所在环境最常见的温度范围。
2）体积小，引脚少;
3mm×3mm×0.8m m，DFN（DuaI fIat No-lead，即双平面，无引线）封装。6个引脚，见图1。它的小的体积使其在用做温度补偿用时，易于在电路板（即PCB）上和TC的冷端一起放置;而在做人体（或其他对象）温度计时，整体的体积可以很小。
3）接口电路的外围元件少，接口简单;
仅有1个去偶电容和2个上拉电阻。虽有6个引脚，但对外连线只有4根。DNC引脚可悬空或连到VDD脚。见电路图2。
4）背面有感温金属平面;
大小为1.5mm×2.4mm，见图3。这个面能使它很好地感受TC冷端的温度，达到与之同温的目的。
3电路设计
单片机选用STM32F103CBT6，它自带有I2C总线，这使得相关接口（包括编程）相对简单。见图2。原理图虽不复杂，但作为TC补偿元件，要做到它和TC冷端准确同温，却并非易事，我们也是经过多次改进，才达到的。具体做法是：①单独做一块小的PCB板（双面，11mmx7mm，见图3），通过插针与主板相连。在小板上，Si7051背面的感温面下要开孔，使感温面能和冷端相对、相通。孔的大小稍小于感温面。注意看图3。②此小板和和TC冷端并立在一起放置，并且要远离板上的其他热，见图4。图中，3线（棕、红和黑3色）插头是TC的冷端线，左边立着的就是Si7051小板。③小板和TC冷端附近约30mmx7mm的PCB板区域内不敷铜，以免多传热。
4编程
编程本文的要点。
4.1理解图4的时序
文献[2]给出了读取Si7051芯片的温度编码的I2时序图（经英译中）。
此时序图从左到右，分成了19个段（数字所示）。此图所涉及的相关技术术语参见文献[3-7]。几点说明如下：
1）图中的“主”是指主设备：从是指从设备（下同）。
2）第2段是“从地址”，指的是Si7051的从地址0x40;
3）第3段是“主将要写操作”，指的是，在12C总线上，出现Si7051的从地址0x40后，主设备是要发送一个字节数据（第5段的Oxf3）。注意这一段是一个位（bit）段且为O值，它附在第2段的0x40后面（100000B+0B=10000000B）形成最终的0x80写地址字节（与0x81的读地址（如，第8、9段组合）对应。这一点很重要，编程时不要误写为0x40。
4）第9段是“主将要读操作”，指的是.在12C总线上，出现Si7051的从地址0x40后，主设备是要从设备里读取数据。这也是一个位段，但值为1，它附在第8段的0x40后面（1000000B+I B=10000001B）形成最终的0x81读地址字节。
5）第10段是“非应答（即NACK）”。对Si7051来说，这是一个特殊的位信号，它会一直持续高电平，直到片内的A/D转换结束。从这个信号发出算起，Si7051开始一次测温的A/D转换过程，具体转换时间见参考文献[2]的第4页的表2。本程序用12ms延时来处理。程序在12毫秒后，继续到第11段。
6）完成这个时序的全部操作后，得到的紧紧是2个字节（14位，最低2位不用）编码，而不是温度的实数值。实数温度（℃）=（175.72×温度编码/66636）-46.84（式1）。
4.2流程图
用IAR7.2.05工具及ST（即意法半导体）公司在2011年发布的3.5.0的库函数（一直未变）。该库函数包含了32个12C相关函数和诸多变量定义，可选择使用，本程序用了其中的10个函数。
图6是依据图5的时序来编制的。有3点须说明：*相关函数注解详见3.2.1。**限于篇幅，只用了一个菱形判断图作为示例，其他判断处未用，但包含的流程相同，即如果不成功，则反复调用判断函数，直到成功。***延时程序一般是自编的，不调库函数，以便准确控制延时时间。
4.2.1图6相关库函数说明
另外，图中的函数12C_Configuration（）通常是根据需要自编的，不是库函数。
5结论
Si7051装在线路板上，精度高、运行稳。下面是一组实测数据（表3）：
测试条件说明：①地点：办公室，对环境温度测试;②工具：实验室开发的SCTC温控仪;RKC CH402日本产温控仪，其上无小数显示（对热电偶）。测试分析：仪器每秒对Si7051和热电偶同步采样一次，数据记录间隔是2min。在18min内，Si7051测温仅变化31.53-31.47=0.06（℃），多数时间，只在小数点后第2位上有变。表明其精准、稳定。SCTC测温也仅变化30.53-30.20=0.33（℃）。這里，Si7051的测量的温度要高于SCTC仪及RKC仪的测量温度是因为PCB板上的气温要高于一般环境温度。
以后还将一如既往地关注、实施温度测控领域的新元件的应用，并把相关的研发成果及时在专业刊物上发表，为我国自动化仪表的发展出一分力。
