基于STM32F103 的智能温度变送器设计

2022-01-16吴桂峰

科技创新与应用 2022年1期

陈剑，吴桂峰

（扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏扬州 225000）

1 研究背景

在工业生产中，温度是一种非常重要的参数，大多数设备的安全、稳定运行都离不开对其温度的测量。随着时代的发展，用户对温度变送器的测量精度、重复性、稳定性要求也越来越高，传统温度变送器已无法满足其需求[1]，随着电子技术的不断发展，一种围绕微处理器，结合先进数字化技术的新型智能温度变送器应运而生。本文介绍了一种基于STM32F103 的智能温度变送器设计方案，其能实现高精度的数据测量（相对误差小于0.2%）、4～20mA 环路电流输出、HART 通信[2]及组态调试等功能。

2 硬件设计框图

智能温度变送器的总体硬件电路设计框图如图1 所示，主要包含电源模块、硬件看门狗、LCD 屏、按键、AD 采样模块、数字隔离模块、微处理器、V/I 环路电流输出模块和HART 通信模块。

图1 智能温度变送器硬件设计框图

当所测介质温度发生变化时，变送器外接热电偶或热电阻的阻值会发生相应的变化，从而引起测量电压的变化。电压信号经过滤波到A/D 转换器，转换后数据经过数字隔离后被MCU 读取，MCU 对这些数据进行处理，经过非线性校正、温度补偿、零点跟踪校正[3]，再转换成对应的测量温度在LCD 屏上显示，同时通过D/A 芯片输出对应的4～20mA电流信号到总线，并且将AD5700 产生的幅值为0.5mA 的正弦波信号叠加到总线上，实现双向数字通信。

2.1 温度测量模块

AD7794 是一款适合应用在高精度测量中，且具有低功耗、低噪声、完整模拟前端特性的模数转换芯片，其内置PGA、基准电压源、时钟和激励电流，从而大大简化了热电偶（热电阻）测量系统的设计。AD7794 拥有六对差分信号输入端，本文设计的温度变送器将其端口最大化利用，可实现对热电偶、热电阻两种信号的测量，同时对于热电阻的测量可实现三线式、四线式配置切换，AD7794 与STM32F103 之间可通过SPI 总线进行通信。

2.1.1 热电偶测量

AD7794 提供一种集成式热电偶解决方案，可以通过软件配置调用该方案，外部只需将热电偶接在差分输入口，再加一些简单的RC 滤波器来满足EMC 要求即可。如图2 所示，热电偶的冷结补偿可通过一个热电阻（PT100）和一个精密电阻（5.1k 10PPM）实现。

图2 带冷结补偿的热电偶测温模块

在芯片外围构建一种比率式架构，将AD7794 芯片的16 脚配置成210μA 恒流源输出，给热电阻PT100 和5.1kΩ精密电阻供电，并且把精密电阻上的压降作为基准电压。通过测量热电阻上的压降求得其阻值，查找热电阻温度对照表得环境温度，来进行冷结补偿[4]。

将AD7794 的数据输出频率配置为16.7Hz，通过软件设定，每读取8 个热电偶转换结果就读取1 个热电阻转换结果，所得数据经校正、补偿后，热电偶测得温度等于：温度=热电偶温度＋冷结温度。

AD7794 的转换结果由STM32F103 进行处理，将所得的最终温度显示在LCD 屏上。

2.1.2 热电阻测量

热电阻由纯净材料（如铂、镍或铜）制成，随温度变化而改变的电阻值是可预测的。本文采用的热电阻测温法是基于欧姆定律的定流测压法，如图3 所示，将AD7794 的15脚配置为恒流源输出，为了防止自发热，降低电流路径上的漏电流对测量精度的影响，该脚的电流被配置为210μA 的小电流。测得热电阻上的压降，由于是由同一个电流驱动的，所以将测量值折合为参考电阻两端的电压可消除电流源中的误差。

图3 热电阻测温模块

通常将热电阻测量接线配置为三线式或四线式，以最大程度减少引线电阻效应[5]。本文设计通过ADG719BRTZ实现恒流源通道切换，配合适当的外围电路达到支持三线式、四线式热电阻配置选择的目的。

通过对ADG719BRTZ 的1 脚控制信号的配置（低电平时S1 导通，S2 关断；高电平时S1 关断，S2 导通），实现恒流源的通道切换。当使用三线式配置测量温度时，外接的RTD需按图4 所示，将热电阻一端的一根线与通道2 连接，另一端的两根线分别与通道3 以及精密电阻相连。

图4 三线式RTD 外接图

通过软件配置IC7 的S1 导通，IC8 的S2 导通，将AD7794 的两个恒流输出端都配置为210μA（设为IEXC），分别供给通道2、3，两路电流都流向精密电阻，设AD7794 输入端AIN1（+）的电压为V1，AIN1（-）的电压为V2，则有：VRTD＝V1－V2＝RRTD*IEXC。

当使用四线式配置测量时，外接的RTD 需按图5 所示连接。

图5 四线式RTD 外接图

由于四线式配置对引线电阻不敏感，得VRTD＝RRTD*IEXC。

2.2 信号输出模块

信号输出模块包括两部分，一个是4～20mA 的环路电流输出，另一个是HART 信号输出。前者采用AD5421，这是一款16 位高精度、低成本的DAC，具有灵活的SPI 兼容型串行接口，能够以30MHz 速率工作，可以和常用的微处理器简单相连，接受数字信号产生环路电流[6]，而且该芯片还可以和标准HART 协议通信电路结合使用。后者采用低功耗HART 调制解调器AD5700，其符合HART 的物理层要求，是业界功耗最低、尺寸最小的HART 半双工调制解调器[7]。AD5700 集成了滤波、信号侦查、基准电压源、调制解调和信号生成功能，其无需外部缓冲就能够提供很强的输出驱动能力，因此外围电路简单易用。两者组成的信号输出模块如图6 所示。

图6 信号输出模块

3 软件设计

软件的编写是在Keil 5 MDK 上用C 语言完成的，程序主要包括A/D 采集、定时器中断、V/I 输出、LCD 显示初始化、SPI 串行总线配置、UART 串口传输[8]配置等。首先执行系统初始化，然后读取EEPROM 中的配置信息，将测得的传感器电阻值转换为相应的电信号，最终转换为温度信号。最后将所得温度信号显示在LCD 屏上，同时将温度信号转换为4～20mA 标准电流并叠加HART 信号传送到总线。系统软件流程图如图7 所示。