14 - bit 4 - 20mA loop - circuito di misurazione della temperatura della termocopia alimentato

Funzioni e vantaggi del circuito

Il circuito mostrato nella figura 1 è un sistema completo di misurazione della temperatura della termocopia ad anello che utilizza una funzione PWM del microcontrollore analogico di precisione per controllare la corrente di uscita da 4 mA a 20 mA.

Figura 1. L'ADuCM360 controlla un circuito di monitoraggio della temperatura basato su loop da 4 mA a 20 mA (diagramma schematico: non mostra tutte le connessioni e il disaccoppiamento)

Questo circuito integra la maggior parte delle funzioni del circuito sui microcontrollori analogici di precisione ADuCM360, tra cui un doppio ADC Σ-Δ a 24 bit, un core del processore ARM Cortex ™ -M3 e un loop di controllo della tensione a 4 canali per caratteristiche PWM / DAC a loop da 28 V MA a 20 mA, fornendo una soluzione di monitoraggio della temperatura a basso costo.

L'ADuCM360 è collegato a una termocopia di tipo T e a un rilevatore di temperatura di resistenza al platino (RTD) da 100 Ω di platino. La RST viene utilizzata per la compensazione della giunzione a freddo. Il nucleo Cortex-M3 a bassa potenza converte le letture ADC in valori di temperatura. L'intervallo di temperatura della termocopia di tipo T supportato è da -200 ° C a + 350 ° C e questo intervallo di temperatura corrisponde a un intervallo di corrente di uscita da 4 mA a 20mA.

Questo circuito è simile al circuito descritto nel Circuit Note CN-0300, ma questo circuito ha il vantaggio di guidare un circuito da 4mA a 20mA con un PWM ad alta risoluzione. L'output basato su PWM fornisce una risoluzione a 14 bit. Per ulteriori informazioni sull'interfaccia sensore di temperatura-ADC e sulle tecniche di linearizzazione per la misurazione della RST, vedere Circuit Note CN-0300 e Application Note AN-0970.

Descrizione del circuito

Il circuito è alimentato da un regolatore lineare, l'ADP1720, che regola l'alimentazione ad anello a 3,3 V per fornire energia all'ADuCM360, all'amplificatore op OP193 e al riferimento opzionale ADR3412.

Monitor della temperatura

Questa parte del circuito è simile al circuito di monitoraggio della temperatura descritto nel CN-0300, utilizzando le seguenti caratteristiche dell'ADuCM360:

L'ADC sigma-delta a 24 bit ha un PGA integrato che imposta il guadagno di 32 per la termocopia e la RST nel software. ADC1 passa continuamente tra campioni di tensione di termocopia e RTD.

L'origine corrente di eccitazione programmabile guida una corrente controllata attraverso la RST. La sorgente di corrente a doppio canale può essere configurata con un passaggio da 0μA a 2mA. In questo esempio viene utilizzata un'impostazione di 200μA per ridurre al minimo gli errori causati dall'effetto di autoriscaldamento RTD.

Gli ADC dell'ADuCM360 hanno un riferimento 1.2 V incorporato. Il riferimento di tensione interna ha un'elevata precisione ed è adatto per misurare le tensioni della termocopia.

Riferimento esterno per l'ADC in ADuCM360. Quando si misurano i resistori RTD, si utilizza un'impostazione ratiometrica per collegare un resistore di riferimento esterno (RREF) ai pin VREF + e VREF esterni. Poiché la sorgente di tensione di riferimento in questo circuito è ad alta impedenza, è necessario abilitare il buffer di ingresso della tensione di riferimento su chip. Un buffer di riferimento su chip significa che non sono necessari buffer esterni per ridurre al minimo gli effetti di perdita di input.

Generatore di tensione di polarizzazione (VBIAS). La funzione VBIAS viene utilizzata per impostare la tensione in modalità comune della termocopia su AVDD_REG / 2 (900 mV). Allo stesso modo, ciò elimina la necessità di resistenze esterne per impostare la tensione in modalità comune della termocopia.

Nucleo ARM Cortex-M3. Il potente core ARM a 32 bit integra 126 KB di memoria flash e 8 KB di memoria SRAM per eseguire codice utente, configurare e controllare l'ADC e utilizzare l'ADC per convertire gli ingressi termocopia e RTD nel valore della temperatura finale. Controlla anche l'uscita PWM per guidare un loop da 4 mA a 20 mA. Può anche controllare la comunicazione sull'interfaccia UART / USB per ulteriori scopi di debug.

Comunicazione

L'uscita PWM a 16 bit è memorizzata nel buffer esterno utilizzando OP193 e il transistor esterno NPN BC548 è controllato. Controllando la tensione VBE di questo transistor, la corrente attraverso il resistore di carico da 47,5Ω può essere impostata sul valore desiderato. Ciò fornisce una precisione migliore di ± 0,5 ° C per l'uscita da 4 mA a 20 mA (da -200 ° C a + 350 ° C, risultati di test di riferimento).

Il DAC interno fornisce un riferimento di 1,2 V per l'OP193. In alternativa, un riferimento di precisione a 1,2 V ADR3412 può essere utilizzato per ottenere una maggiore precisione nell'intervallo di temperatura. Il riferimento esterno disegna approssimativamente lo stesso consumo energetico del DAC interno (~ 50 μA). Vedi la sezione "Test di misurazione dell'alimentazione".

Il PWM a 16 bit on-chip (modulazione della larghezza dell'impulso) controlla il loop da 4 mA a 20 mA attraverso l'ADuCM360. Il duty cycle PWM può essere configurato dal software per controllare la tensione sul resistore 47.5 Ω RLOOP e impostare la corrente del loop. Si noti che la parte superiore del RLOOP è collegata al terreno ADuCM360. La parte inferiore del RLOOP collega il terreno del loop. Per questo motivo, le correnti di output di ADuCM360, ADP1720, ADR3412 e OP193, oltre alla corrente impostata dall'output PWM filtrato, passano attraverso il RLOOP.

La tensione di giunzione di R1 e R2 può essere espressa come:

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

Dopo aver stabilito il ciclo:

VIN = VR12

Dal momento che R1 = R2:

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

VRLOOP = VREF - 2VIN

Quando VIN = 0 quando il flusso di corrente su larga scala, questa volta VRLOOP = VREF. Pertanto, la corrente su larga scala è VREF / RLOOP o ≈24 mA. Quando VIN = VREF / 2, nessun flussi di corrente.

L'impedenza dell'amplificatore OP193 a VIN è molto alta e non carica l'uscita del filtro PWM. L'uscita dell'amplificatore cambia solo leggermente, circa 0,7 V.

Le prestazioni al limite (da 0 mA a 4 mA e da 20 mA a 24 mA) non sono importanti, quindi le prestazioni dell'amplificatore operativo sulla guida di alimentazione non sono critiche.

I valori assoluti di R1 e R2 non sono importanti. Tuttavia, l'abbinamento di R1 e R2 è importante.

ADC1 viene utilizzato per la misurazione della temperatura, quindi questa nota del circuito si applica direttamente all'ADuCM361 con un solo ADC. La scheda di valutazione EVAL-CN0319-EB1Z include un'opzione di misurazione della tensione etichettata VR12 utilizzando il canale di ingresso ADC0 sull'ADuCM360. La misurazione ADC può essere utilizzata per il feedback del software di controllo PWM, regolando l'impostazione della corrente da 4 mA a 20 mA.

Programmazione, debug e test

L'UART viene utilizzato come interfaccia di comunicazione con il PC host. Questo viene utilizzato per programmare la memoria flash su chip. Funge anche da porta di debug per calibrare gli output PWM filtrati.

Due switch esterni vengono utilizzati per forzare il dispositivo in modalità Flash Boot. Mentre l'SD è basso e il tasto RESET è disattivato, L'ADuCM360 entra nella modalità di avvio anziché nella normale modalità utente. In modalità di avvio, la memoria Flash interna può essere riprogrammata tramite l'interfaccia UART.

Descrizione del codice

Il codice sorgente per il test di questo circuito può essere scaricato dalle pagine dei prodotti ADuCM360 e ADuCM361 (archivio zip). Il codice sorgente utilizza le librerie fornite con il codice di esempio.

La figura 2 mostra l'elenco dei file di origine utilizzati nel progetto quando vengono visualizzati con lo strumento Keil μVision4.

Monitor della temperatura

ADC1 viene utilizzato per la misurazione della temperatura su termocopia e RTD. Questa sezione di codice viene copiata dalla nota del circuito CN-0300. Vedi la nota del circuito per i dettagli.

Parte comunicazione

Regolare l'uscita del filtro PWM per garantire una temperatura minima di uscita di 4 mA e una temperatura massima di uscita di 20 mA. Fornisce una routine di calibrazione che può essere facilmente inclusa o rimossa utilizzando #define parametro CalibratePWM.

Per calibrare il PWM, la scheda di interfaccia (USB-SWD / UART) deve essere collegata a J1 e alla porta USB sul PC. È possibile utilizzare il programma di visualizzazione porta COM, ad esempio HyperTerminal, per visualizzare il menu di calibrazione ed eseguire la procedura di calibrazione passo dopo passo.

Quando si calibra il PWM, collegare le uscite VLOOP + e VLOOP- a un amperometro accurato. La prima parte della procedura di calibrazione PWM regola il DAC per impostare l'uscita di 20 mA, mentre la seconda parte regola il PWM per impostare l'uscita di 20 mA. I codici PWM utilizzati per impostare le uscite 4mA e 20mA sono memorizzati nella memoria flash.

Configurazione UART per la velocità in baud 19200,8 bit di dati, nessuna polarità, nessun controllo del flusso. Se questo circuito è direttamente collegato al PC, è possibile utilizzare HyperTerminal o CoolTerm e altri programmi di visualizzazione delle porte di comunicazione per visualizzare i risultati del programma inviato all'UART, come illustrato nella figura 3.

Per immettere i caratteri necessari per la procedura di calibrazione, digitare il carattere desiderato nel terminale di visualizzazione e la porta ADuCM360UART riceverà il carattere.

Figura 3. Uscita "HyperTerminal" durante la calibrazione del PWM

Dopo la calibrazione, il codice dimostrativo spegne l'orologio UART, risparmiando ulteriore energia.

Il fattore di calibrazione viene memorizzato nella memoria flash, quindi non è necessario eseguire la routine di calibrazione ogni volta che la scheda viene alimentata, a meno che il livello VLOOP non venga modificato.

Il diagramma di flusso di codice è illustrato nella figura 4.