原创 应用ADuC847芯片设计压力及温度测量仪表

摘要：高精度的压力温度测量仪表的设计关键在于如何消除各种噪声，利用廉价的手段达到所需要的测量精度。ADuC847是AD公司新近推出的微转换芯片，利用其24位Σ-Δ模数转换器，设计高精度压力及温度测量仪表。本文首先简要介绍了ADuC847主要特点及各引脚功能，然后详细阐述如何设计高精度温度压力测量电路，并重点介绍了如何消除激励压力或温度传感器的恒流源以及恒压源的噪声对测量精度的影响。
关键词：ADuC847，微转换，高精度，温度，压力

1、概述

随着数字化技术的深入发展，现今用的诸多测量设备已摒弃了陈旧的模拟指针仪表技术，向数字化过渡。尤其在腐蚀、振动场所及真空、微压等测量中，传统压力温度表精度低、损坏率高、不适宜长途运输等诸多缺点，使得数字化技术的需求变得迫切。典型的例子就有测量电压电流、流量、温度、压力等各类仪表。目前有关温度压力测量的数字仪表已经不再新鲜，但是如何设计使其达到理想的精度还值得推敲。本设计中采用电压/电流源计算中抵消方法降低了电压/电流源本身的误差，提高了设计精度。设计的数显压力温度表是现场在线测量仪表，它采用电池（3.3V）长期供电方式，无需外接电源，安装方便。本设计的数显温度压力测量根据不同的传感器有不同的测量范围。调试实验中温度测量范围是零下20℃-105℃，压力测量范围是0PA—30MPA。

美国模拟器件公司(ADI)发布的MicroConverter数据采集与处理系统级芯片(SoC)——ADuC847。 该系统级芯片在一颗单芯片内带有24位Σ-Δ模数转换器(ADC)和10个单端输入通道(或5个完全差分输入通道)多路复用器，集成了ADI公司精密数据转换器、可编程微控制器(MCU)和闪速存储器。这种高精密模拟技术集成一个高速微控制器内核，即嵌入了一个快速可编程的8位单指令周期的8052闪存MCU。这种器件消除了设计复杂性，同时又保持了极低噪声，这对于精密仪器仪表应用来说非常关键，非常适合工业和仪器仪表应用中要求精确测量宽动态范围低频信号的应用场合，例如智能传感器、温度与压力传感器、4～20mA控制环路和病人监护。

2、ADuC847芯片管脚及功能模块的介绍^[1]

下面先将ADuC847的部分管角及芯片结构做简要介绍：

如下图（1）中：

AIN0~AIN9：十个模拟输入通道，输入电压可以选择单极性或者双极性（差分）方式；

Iexc1和Iexc2：驱动电流输出，可以作为恒流源用于温度测量电路的设计上；

REFIN—、REFIN＋和REFIN2—、REFIN＋是外部参考差分电压输入端；

PWM0/PWM1：脉宽调制波形输出端；

PWMCLK：外部PWM时钟信号输入端；

P0.0-P0.7：双向I/O口；

P2.0-P2.7，P3.0-P3.7：内部接有上拉电阻的双向口；

RxD/TxD：UART串口收发端；

INT0/INT1：外部中断输入口，也可以作为Timeo/Time1的门控输入口；

T0/T1：Timer/Counter0和Timer/Counter1的外部输入；

SCLK (I2C)、SDATA：I2C接口的时钟和数据口；

WR、RD：P0口外部存储器的读写控制；

图（1） ADuC847的管脚结构

功能模块包含一个温度传感器、一个位于ADC之前以便直接测量低幅度信号的可编程增益放大器(PGA)、一个12位电压输出数模转换器(DAC)、两个灵活的脉宽调制(PWM)输出、两个电流源、一个基准电压源、一个从32kHz晶振产生12.58MHz时钟的振荡器与锁相环(PLL)以及UART、SPI和I2C通信端口。

3、          温度及压力的测量电路设计原理

本设计包括温度测量和压力测量两个部分，温度测量采用热电阻PT100作传感器，压力测量则采用压力应变桥进行设计。电路设计基于ADuC847芯片的应用，下面图（2）、图（3）原理图即为ADuC847应用的部分外围电路。

l 温度测量计算方法

图（2） 温度测量电路原理图

Iexc为ADuC847输出驱动电流（选200/400uA），Re+和RE-构成外部参考电压差分输入Vref；AN5-AN6两端为热敏电阻产生的电压差:Vin，并经过放大G倍后送如ADC转换。ADC的代码为：

                (1)

归一后的ADC为:

 (2)

由（1）式得：

(3)

由电路图知：

  (4)

将（4）代入（3）

   (5)

用线性方程来表示：

   (5-1)

得线性比例系数： ;

线性偏移量：   

假设；得 ；

其实这个数据很好理解，这里将热敏电阻的测量变成了和标准电阻Rref的比值的测量。当ADCnorm=1时，即R两端的信号经放大后等于标准电阻两端的电压。由于参考电压在AD847中有1.024的放大，所以这里4倍的放大就变成了4/1.024（3.90625）倍的放大，也既是当ADCnorm=1时，有3.90625R=5600, R="1433".60 ohm, 该值就是P_scale0.

将PT100带入相应的计算公式或查表，求出PT100当前值对应的温度T。

如果不考虑非线性影响，可以直接利用线性近似来直接求出温度T。比如铂电阻可以这样处理。但是热敏电阻不可以这样处理。

PT100的温度特性如下：

Rt = R0 * (1 + A* t + B*t² +C*(t-100)* t³)

A = 3.9083 E-3
B = -5.775 E-7

在低温段采用线性近似，取

      (6)

在50度时最大误差为：

用Rt取代PT100：

等式(8)就是线性化测量公式：

实际上会有一定的定标误差，所以T_sacle ， T_offset 的具体值会有所调整。

l  压力测量计算方法

图（3） 压力测量电路原理图

3.3V为驱动电压Vcc，AN3和AN4构成参考电压Vref = Vcc/2；

AN1-AN2两端为压力应变桥产生的电压差:Vin，并经过放大G倍后送入ADC转换。ADC的代码为：

ADC=2^N-1[Vin*G/(1.024*Vref)+1]                            (11)

归一后的ADC为:

ADCnorm =ADC/2^N-1 – 1                                   (12)

由（11）式得：

     ADCnorm  = G * Vin/(1.024*Vref)                           (13)

由电路图知：

     Vin/Vref  =  (Vcc*S*P/Pmax)/(0.5Vcc)

            =  2*S*P/Pmax                                  (14)

其中：S是压力传感器的灵敏度，

将（14）带入（13）

      ADCnorm  = 2*S*P *G /(1.024*Pmax)

P =  1.024* ADCnorm * Pmax / (2*S*G)                     (15)

 P = P_scale*ADCnorm + P_offset                            (16)

      P_scale = 1.024*Pmax /(2*S*G)； P_offset =0

4、          结束语

数显压力温度表技术先进，性能卓越，能使您摒弃传统压力温度表的诸多弊端，快步进入电子数字化时代，方便并且精确，应用范围广泛。此类产品已在石油、化工、电力等领域得到广泛应用。

该测量仪表设计主要特点是：

● 大屏幕：大屏幕LCD显示，读数直观清晰。

● 高精度：采用先进的微处理器技术，选用ADuC24位高转换精度芯片，加上设计电路的中接的芯片内部恒流源，降低了误差，使该仪表精度高，性能稳定。

● 低功耗：超低功耗设计，仅需3.3V电池，使用方便。

● 防腐蚀：选用抗腐蚀陶瓷侧压芯片，整体全不锈钢密封防水、防溅设计，适应诸多腐蚀性介质及环境。

● 耐振动：电子器件采用贴片焊接工艺，整体紧固组装，在强振动场所能够正常使用。

● 寿命长：高质量的进口原装芯片，超强的过载及抗冲击能力，正常使用寿命长是传统压力温度表的几倍、几十倍。

参考文献：

1．ADuC845/ADuC847/ADuC848 One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A.