14 - bit 4 - 20mA loop - drevet termoelement temperaturmålingssystem krets - Utstilling - Shengzhou Beno Electric Appliance Co,, Ltd

14 - bit 4 - 20mA sløyfe - drevet termoelement temperaturmålingssystemkrets

Kretsfunksjoner og fordeler

Kretsen som vises i figur 1 er et komplett sløyfedrevet termoelement temperaturmålingssystem som bruker en presisjon analog mikrokontroller PWM-funksjon for å kontrollere 4 mA til 20 mA utgangsstrøm.

Figur 1. ADuCM360 kontrollerer en 4 mA til 20 mA loop-basert temperaturovervåkingskrets (skjematisk diagram: ikke vist alle tilkoblinger og frakobling)

Denne kretsen integrerer de fleste kretsfunksjonene på ADuCM360 presisjonsanalog mikrokontrollere, inkludert en dobbel 24-biters Σ-Δ ADC, en ARM Cortex ™ -M3-prosessorkjerne og en 4-kanals spenningskontrollsløyfe for opptil 28 V MA til 20 mA-løkke PWM / DAC-egenskaper, noe som gir en rimelig temperaturovervåkingsløsning.

ADuCM360 er koblet til en T-type termoelement og en 100 Ω platina motstand temperaturdetektor (RTD). RTD brukes til kompensasjon for kaldt veikryss. Den lave cortex-M3-kjernen konverterer ADC-avlesningene til temperaturverdier. Det støttede T-type termoelement temperaturområde er -200 ° C til + 350 ° C, og dette temperaturområdet tilsvarer et utgangsstrømområde på 4mA til 20mA.

Denne kretsen ligner på kretsen som er beskrevet i Circuit Note CN-0300, men denne kretsen har fordelen av å kjøre en 4mA til 20mA-sløyfe med en høyere oppløsning PWM. Den PWM-baserte utgangen gir 14-biters oppløsning. Hvis du vil ha mer informasjon om temperatursensor-til-ADC-grensesnittet og lineariseringsteknikker for RTD-måling, kan du se Circuit Note CN-0300 og Application Note AN-0970.

Beskrivelse av krets

Kretsen drives av en lineær regulator, ADP1720, som regulerer sløyfeforsyningen til 3,3 V for å levere strøm til ADuCM360, op amp OP193 og den valgfrie referansen ADR3412.

Temperaturmonitor

Denne delen av kretsen ligner på temperaturmonitorkretsen som er beskrevet i CN-0300, ved hjelp av følgende funksjoner i ADuCM360:

Den 24-bit sigma-delta ADC har en innebygd PGA som setter gevinsten av 32 for termoelement og RTD i programvaren. ADC1 bytter kontinuerlig mellom termoelement- og RTD-spenningsprøver.

Den programmerbare eksitasjonsstrømkilden driver en kontrollert strøm gjennom RTD. Den tokanals gjeldende kilden kan konfigureres med et trinn fra 0μA til 2mA. I dette eksemplet brukes en 200μA-innstilling til å minimere feilene forårsaket av RTD-selvoppvarmingseffekten.

AdCs i ADuCM360 har en innebygd 1,2 V-referanse. Den interne spenningsreferansen har høy nøyaktighet og er egnet for måling av termoelementspenninger.

En ekstern referanse for ADC i ADuCM360. Når vi måler RTD-motstander, bruker vi en forholdsbekjedsinnstilling for å koble en ekstern referansemotstand (RREF) til de eksterne VREF + og VREF-pinnene. Siden referansespenningskilden i denne kretsen er høy impedans, er det nødvendig å aktivere inngangsbufferen for referansespenning på brikken. En referansebuffer på brikken betyr at ingen eksterne buffere er nødvendig for å minimere inngangslekkasjeeffekter.

Bias spenning generator (VBIAS). VBIAS-funksjonen brukes til å stille inn termoelementspenningen til AVDD_REG / 2 (900 mV). På samme måte eliminerer dette behovet for eksterne motstander for å stille inn termoelementspenningen.

ARM Cortex-M3 kjerne. Den kraftige 32-biters ARM-kjernen integrerer 126 KB flash-minne og 8 KB SRAM-minne for å kjøre brukerkode, konfigurere og kontrollere ADC, og bruke ADC til å konvertere termoelement- og RTD-inngangene til den endelige temperaturverdien. Den kontrollerer også PWM-utgangen for å kjøre en 4 mA til 20 mA-løkke. Det kan også kontrollere kommunikasjon på UART / USB-grensesnittet for flere feilsøkingsformål.

Kommunikasjon

16-biters PWM-utdataene bufres eksternt ved hjelp av OP193, og den eksterne NPN-transistoren BC548 styres. Ved å kontrollere VBE-spenningen til denne transistoren, kan strømmen gjennom 47,5Ω-lastmotstanden settes til ønsket verdi. Dette gir bedre enn ± 0,5 ° C nøyaktighet for 4 mA til 20 mA utgang (-200 ° C til + 350 ° C, referanse testresultater).

Den interne DAC gir en 1,2 V-referanse for OP193. Alternativt kan en 1,2 V presisjonsreferanse ADR3412 brukes til å oppnå høyere nøyaktighet over temperaturområdet. Den eksterne referansen trekker omtrent samme strømforbruk som den interne DAC (~ 50 μA). Se delen "Power Measurement Test".

On-chip 16-bit PWM (pulsbreddemodulasjon) styrer 4 mA til 20 mA-sløyfen gjennom ADuCM360. PWM-driftssyklusen kan konfigureres av programvare for å kontrollere spenningen på 47,5-Ω RLOOP-motstanden og sette sløyfestrømmen. Vær oppmerksom på at toppen av RLOOP er koblet til ADuCM360-bakken. Bunnen av RLOOP forbinder bakken av løkken. Av denne grunn strømmer utgangsstrømmene til ADuCM360, ADP1720, ADR3412 og OP193, pluss gjeldende sett av den filtrerte PWM-utgangen, gjennom RLOOP.

Koblingsspenningen på R1 og R2 kan uttrykkes som:

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

Etter at løkken er etablert:

VIN = VR12

Siden R1 = R2:

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

VRLOOP = VREF - 2VIN

Når VIN = 0 når fullskala strømflyt, denne gangen VRLOOP = VREF. Derfor er fullskala strømmen VREF / RLOOP, eller ≈24 mA. Når VIN = VREF / 2, ingen strøm flyter.

OP193 forsterkerimpedansen ved VIN er svært høy og laster ikke PWM-filterutgangen. Forsterkerens effekt endres bare litt, ca. 0,7 V.

Ytelsen ved grensen (0 mA til 4 mA og 20 mA til 24 mA) er uviktig, så den operative forsterkerytelsen på forsyningsskinnen er ikke kritisk.

De absolutte verdiene for R1 og R2 er uviktige. Matching av R1 og R2 er imidlertid viktig.

ADC1 brukes til temperaturmåling, så dette kretsnotatet gjelder direkte for ADuCM361 med bare én ADC. Evalueringstavlen EVAL-CN0319-EB1Z inneholder et spenningsmålingsalternativ merket VR12 ved hjelp av ADC0-inngangskanalen på ADuCM360. ADC-målingen kan brukes til tilbakemelding av PWM-kontrollprogramvare, og justerer gjeldende innstilling på 4 mA til 20 mA.

Programmering, feilsøking og testing

UART brukes som kommunikasjonsgrensesnitt med verts-PCen. Dette brukes til å programmere flash-minnet på brikken. Det fungerer også som en feilsøkingsport for kalibrering av filtrerte PWM-utganger.

To eksterne brytere brukes til å tvinge enheten til Flash Boot-modus. Mens SD er lav og RESET-knappen er vekslet, går ADuCM360 inn i oppstartsmodus i stedet for normal brukermodus. I oppstartsmodus kan det interne Flash-minnet omprogrammeres via UART-grensesnittet.

Beskrivelse av koden

Kildekoden for testing av denne kretsen kan lastes ned fra produktsidene ADuCM360 og ADuCM361 (postarkiv). Kildekoden bruker bibliotekene som følger med eksempelkoden.

Figur 2 viser listen over kildefiler som brukes i prosjektet når de vises med Keil μVision4-verktøyet.

Temperaturmonitor

ADC1 brukes til temperaturmåling på termoelementer og RTDs. Denne delen av koden kopieres fra kretsnotat CN-0300. Se kretsnotatet for mer informasjon.

Kommunikasjonsdel

Juster PWM-filterutgangen for å sikre en minimumstemperatur på 4mA-utgang og maksimal temperatur på 20mA-utgang. Gir en kalibreringsrutine som enkelt kan inkluderes eller fjernes ved hjelp av #define-parameteren CalibratePWM.

For å kalibrere PWM må grensesnittkortet (USB-SWD / UART) være koblet til J1 og USB-porten på PCen. Du kan bruke COM-portvisningsprogrammet, for eksempel HyperTerminal, til å vise kalibreringsmenyen og utføre kalibreringsprosedyren trinnvis.

Når du kalibrerer PWM, kobler du VLOOP + og VLOOP-utgangene til et nøyaktig ammeter. Den første delen av PWM-kalibreringsprosedyren justerer DAC for å angi 20mA-utgangen, mens den andre delen justerer PWM for å angi 20mA-utgangen. PWM-kodene som brukes til å angi 4mA- og 20mA-utgangene, lagres i flash-minnet.

UART-konfigurasjon for overføringshastigheten 19200,8 databiter, ingen polaritet, ingen flytkontroll. Hvis denne kretsen er direkte koblet til PCen, kan du bruke HyperTerminal eller CoolTerm og andre kommunikasjonsportvisningsprogram for å se resultatene av programmet som sendes til UART, som vist i figur 3.

Hvis du vil angi tegnene som kreves for kalibreringsprosedyren, skriver du inn ønsket tegn i visningsterminalen, og ADuCM360UART-porten vil motta tegnet.

Figur 3. "HyperTerminal"-utgang når du kalibrerer PWM

Etter kalibrering slår demonstrasjonskoden av UART-klokken, noe som sparer strøm ytterligere.

Kalibreringsfaktoren lagres i flash-minnet, så det er ikke nødvendig å kjøre kalibreringsrutinen hver gang brettet er slått på, med mindre VLOOP-nivået endres.

Kodeflytdiagrammet vises i figur 4.