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　　溫度變送器廣泛應(yīng)用于工業(yè)中需要測溫的場合，但傳統(tǒng)的溫度變送器是四線制、非智能化的，其精度、穩(wěn)定性、可靠性較低，并且難以調(diào)試和維護(hù)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，兩線制溫度變送器的智能化勢在必行[1]。
　　
　　智能化兩線制溫度變送器測量精度高、穩(wěn)定性好，但研制的關(guān)鍵是必須解決低功耗和線性化處理以及抗干擾問題，尤其是在4mA～20mA的傳輸規(guī)范要求下，如何保證電流為4mA時溫度變送器還能正常工作。目前市場上的兩線制溫度變送器，在非線性處理、抗干擾方面仍然存在一些不足。為此，本文提出采用高性能單片機(jī)LM3S101，結(jié)合儀表放大器AD620和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7457，設(shè)計新型的兩線制溫度變送器。
　　
　　1系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　
　　1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理
　　
　　兩線制溫度變送器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器對信號源所產(chǎn)生的信號進(jìn)行采集，然后通過放大器對信號進(jìn)行放大處理，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊完成A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，通過微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，zui后再通過V/I轉(zhuǎn)換模塊把線性反映溫度變化的信號，調(diào)制成電壓信號后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4mA~20mA電流信號，通過兩線輸出，將兩線接入儀表，由儀表顯示。整個系統(tǒng)可以分為信號采集模塊、信號放大模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和V/I轉(zhuǎn)換四大模塊。
　　
　　1.2橋路測溫原理及線性化
　　　　
　　1.3模擬信號放大
　　
　　本設(shè)計采用了AD620儀表放大器對橋路輸出的模擬信號進(jìn)行放大。儀表放大器是在有噪聲的環(huán)境下放大小信號的器件，其本身具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、寬電源供電范圍及小體積等一系列優(yōu)點(diǎn)，其利用的是差分小信號疊加在較大的共模信號之上的特性，既能夠去除共模信號，而又同時能將差分信號放大。儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù)是共模抑制比，這一性能可以用來衡量差分增益與共模衰減之比，主要應(yīng)用于傳感器接口、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。AD620是一種低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1~1000。因?yàn)槎€制溫度變送器的zui低電流為4mA，在4mA條件下必須能夠正常工作，這就對器件的功耗要求比較高。而AD620zui大的工作電流僅為1.3mA，功耗非常低，可滿足低功耗的要求。此外，AD620具有很高精度，它的zui大非線性度達(dá)到了40ppm，并且具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移特性。所以本設(shè)計選用AD620作為電壓信號的儀表放大器。AD620的應(yīng)用電路如圖4所示。
　　
　　如圖4所示，AD620通過設(shè)置RG來調(diào)整增益，并且具有非常好的共模抑制比。線性化橋路的輸出電壓Vout1連接到AD620的管腳2，作為輸入電壓信號，AD620管腳3連接到管腳6的輸出作為反饋。VS作為AD620的工作電壓。Vout2為電壓信號放大后的輸出，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7457，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入微控制器。
　　
　　1.4A/D轉(zhuǎn)換
　　
　　由儀表放大器放大后的電壓信號，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)。本設(shè)計選擇TI公司生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7457。AD7457芯片為12位低功耗、逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用偽差分模擬輸入，工作電壓為2.7V~5.25V單電源，功耗非常低（zui大為0.9mW）。轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS及串行時鐘進(jìn)行控制，為器件與微處理器或DSP接口創(chuàng)造了條件。
　　
　　1.5LM3S101控制芯片
　　
　　LM3S101微控制器是基于ARMCortex-M3控制器，它將高性能的32位計算引入到對價格敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用中，能夠方便地運(yùn)用多種ARM的開發(fā)工具和片上系統(tǒng)（SoC）的底層IP應(yīng)用方案。微控制器使用了兼容ARM的Thumb指令集Thumb2的指令集來減少存儲容量的需求，并以此達(dá)到降低成本的目的。LM3S101具有14種中斷并具有8個優(yōu)先等級、單周期Flash、兼容ARMFirm的看門狗定時器、同步串行接口（SSI）和較低功耗等特性。與一般的PIC、AVR、C51單片機(jī)相比，在穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)處理、抗干擾等方面，更具優(yōu)勢。所以選擇LM3S101作為處理數(shù)據(jù)的微控制器。LM3S101控制輸出部分的電路設(shè)計如圖5所示。
　　
　　如圖5所示，XTR116u是4mA~20mA電流環(huán)路發(fā)送器，可以傳送模擬4mA~20mA電流信號，符合工業(yè)電流環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)；可提供電流刻度，并具有限定輸出電流的功能。A和B為供電電壓，由AD620放大后的電壓信號VOUT2接入AD7457的管腳7，再由AD7457轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入LM3S101芯片24管腳處，經(jīng)LM3S101芯片數(shù)據(jù)處理后，由19管腳輸出。XTR116u將LM3S101芯片處理后的信號轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的4mA~20mA電流，由1和2兩線輸出，zui后將1和2兩線接入到儀表，并由儀表顯示。
　　
　　1.6功耗計算
　　
　　AD7457芯片在工作電壓為3V的情況下，zui大功耗為0.9mW，zui大工作電流為0.3mA。LM3S101消耗電流為2mA（工作電壓3.3V）。AD620zui大工作電流為1.3mA，XTR116u芯片的zui大消耗電流為200μA，其他元器件zui大總消耗電流約0.2mA，所以總消耗電流為：0.3mA+2mA+1.3mA+0.2mA＝3.8mA<4mA，滿足了工作要求。
　　
　　2軟件設(shè)計
　　
　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計包括：初始化及主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理及傳送控制輸出模塊。其中數(shù)據(jù)采集過程中進(jìn)行了濾波處理，處理了一些非正常的數(shù)據(jù)信號。數(shù)據(jù)采用多次采樣求平均值的算法對采樣值進(jìn)行處理[4]，在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行了線性化的軟件設(shè)計，zui后信號用PWM方式輸出。軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。
　　
　　實(shí)驗(yàn)中，取0~200℃之間的理想曲線，將式（3）迭代函數(shù)在Matlab中編程，得到理想曲線；在0~200℃之間，每隔5℃取一采樣值，與理想阻值比較，并將采樣點(diǎn)連接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖可以看出，采樣所得曲線與理想曲線基本吻合，度高。
　　
　　本文介紹了基于LM3S101單片機(jī)的新型二線制溫度變送器，在設(shè)計過程中對測溫橋路進(jìn)行了線性化的改進(jìn)，并采用高性能單片機(jī)LM3S101對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其測溫結(jié)果精度高、抗*力強(qiáng)、穩(wěn)定性好。由于采用兩線制，降低了成本，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。
　　
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