基于單片機S3C2410的嵌入式溫度傳感器設計

蔣禮林

摘 ?要： 傳統基于諧振式MEMS的嵌入式溫度傳感器無法解決復雜環境中溫度信號內不穩定部分的不利干擾，存在穩定性差和測量精度低的問題。設計基于S3C2410的嵌入式溫度傳感器，將S3C2410芯片嵌入到溫度傳感器中，設計的溫度傳感器硬件部分中的溫度傳感器電路轉換時，將AD590傳感器輸出的與溫度成正比的電流轉化為電壓，將TLC2252作為雙運放放大電路的雙通道的差分式輸入方法，通過差值抵減提高溫度傳感器整體的穩定性。溫度傳感器的軟件部分的RS 422串行接口，采用合適的編碼方式對RS 422接口進行驅動，通過非線性自校模型采用軟件算法準確調整電路中的非線性誤差，調整后的結果即為溫度傳感器測得的溫度值。實驗結果表明，所設計的嵌入式溫度傳感器能顯著提高溫度測量精度，檢測效率和穩定性較高。

關鍵詞： S3C2410; 嵌入式設計; 溫度傳感器; 雙運放放大電路; 非線性自校模型; 差分式輸入方法

中圖分類號： TN37+3?34; TN432 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2018）10?0043?04

Abstract： The traditional embedded temperature sensor based on resonant MEMS cannot eliminate the adverse interference of the unstable part of temperature signals in complex environments， and has the problems of poor stability and low measurement accuracy. Therefore， an embedded temperature sensor based on S3C2410 was designed. The S3C2410 chip is embedded into the temperature sensor. During the circuit conversion design of temperature sensor which is the hardware part of temperature sensor， the current that is output by AD590 sensor and in direct proportion to temperature is transformed into the voltage. The dual?channel differential input method with TLC2252 as the dual operation amplifier circuit is adopted to improve the overall stability of the temperature sensor by means of reduction offsetting of difference values. The appropriate encoding method is adopted to drive the RS 422 serial interface which is the software part of the temperature sensor. The nonlinear error in the circuit is accurately adjusted by using the nonlinear self?calibration model and software algorithm， and the adjusted results are temperature values tested by the temperature sensor. The experimental results show that the designed embedded temperature sensor can significantly improve the accuracy of temperature measurement， and has high detection efficiency and stability.

Keywords： S3C2410; embedded design; temperature sensor; dual operation amplifier circuit; nonlinear self?calibration model; differential input method

0 ?引 ?言

隨著現代工業發展進程的不斷加快，社會科學技術的飛速發展，人們日常生活對各種工業產品的要求也越來越高，溫度傳感器與人們生活密切相關，除了大型的工業設備中需要其進行溫度控制外，在日常生活中也能看到各種溫度傳感器的應用，如熱水器、空調、汽車等數碼產品中都應用了溫度傳感器，嵌入式的溫度傳感器的產生減少了溫度傳感器的體積，方便進行工業設計[1]。因此，設計出高質量的嵌入式溫度傳感器，提高溫度信號測量精度以及穩定性，具有重要的應用價值。傳統基于諧振式MEMS的嵌入式溫度傳感器，無法解決復雜環境中溫度信號中不穩定部分的不利干擾，并且不能對溫度傳感器電路中的非線性誤差進行準確調控，存在穩定性差和測量精度低的問題。為了解決該問題，本文設計基于S3C2410的嵌入式溫度傳感器，來提高溫度傳感器的溫度測量精度和穩定性。

1 ?基于S3C2410的嵌入式溫度傳感器設計

1.1 ?S3C2410基本介紹和結構設計

基于S3C2410的嵌入式溫度傳感器的處理器采用ARM9芯片的S3C2410，該芯片是由韓國三星電子公司生產的32位RISC處理器，該處理器特點包括：16 kB指令Cache、負責數據存儲器管理單元MMU以及16 kB數據Cache，三者共同作用能提高主存儲器的帶寬和溫度傳感器的使用性能。其外部的存儲控制器可同時擴展成8組，每組內存容量達到128 MB，并支持從NAND FLASH存儲器的啟動[2]。2個USB主機總線接口和1個USB設備總線端口;兼容MMCSD卡接口等。S3C2410結構主要由ARM920T內核及其片內外設構成，ARM9的內核ARM9TDMI、32 kB的Cache以及MMU共同構成ARM920T的內核;ARM920T片內外設分為高速外設和低速外設兩部分，用AHB總線和APB總線表示[2]。

1.2 ?溫度傳感器硬件設計

本文設計的嵌入式溫度傳感器的硬件部分由溫度傳感器電路、電壓轉換電路、A/D轉換電路、存儲模塊以及通信模塊共同構成，圖1為本文設計嵌入式溫度傳感器的硬件組成圖。

1.2.1 ?溫度傳感器電路轉換設計

AD590傳感器具有線性良好、溫度測量靈敏度和精度較高的特點。本文利用AD590傳感器進行溫度采集及電路轉換[3]。基于圖1溫度傳感器的硬件組成，對AD590傳感器溫度采集及傳感器電路轉換進行設計，可將AD590傳感器輸出的與溫度成正比的電流轉化為電壓，詳細的轉換過程如下：

AD590溫度傳感器輸出電流（單位：μA）為：

[I=273+T] （1）

式中，T為溫度（單位：℃）。

測得電壓值（單位：V）為：

[V=（273+T）×104=273+T100] （2）

為了保證電壓測量結果的準確和輸出電流[I]不被分流，采用電壓跟隨器使輸出電壓[Vo]與輸入電壓大小保持一致。由于電源在供應較多的電子器件時易出現電源攜帶雜波現象，采用齊納二極管來穩定電壓，根據可變電阻分壓將輸出電壓結果修正為2.73。

1.2.2 ?電壓轉換電路設計

本文嵌入式溫度傳感器的溫度適用范圍在0～120 ℃，傳感器輸出的電壓值區間為[0 V，2.4 V]，而ADS7842的電壓輸入在-0.3 V至VCC之間，其中VCC為電壓為5 V的直流電壓，因此經由A/D芯片接入電路的電壓需要進行調整，該輸入電壓的調整過程就是電壓轉換電路設計。

利用TLC2252作為雙運放放大電路，設計嵌入式溫度傳感器運放模塊。利用雙運放放大電路中的雙運放差動[4]，在對電路放大效果、性能和結構等方面都好于單運放前置放大電路，采用雙運放放大電路可用于反饋電阻的擴展，降低電阻產生的熱噪聲電流，干擾溫度傳感器的正常運行。電壓轉換電路輸入端的設計利用雙通道的差分式輸入方法，采用該方法可使信號輸入過程中的不穩定部分通過差值進行抵減[5]，使溫度傳感器整體穩定性得以提高。雙運放電壓轉換電路如圖2所示。

由圖2可知，[V（+）]和[V（-）]均為放大器差動的高阻輸入，放大器輸出為[Vo]，基準電壓或偏置輸入為[Vr]。

1.3 ?嵌入式溫度傳感器軟件設計

1.3.1 ?軟件總體設計流程

在本文基于S3C2410的嵌入式溫度傳感器的軟件設計中，軟件設計流程包括溫度傳感器初始化、A/D程序轉換和非線性自校正、在線標校以及RS 422總線輸出。軟件設計流程圖如圖3所示。

軟件設計流程中各流程的主要工作任務如下：

1） 溫度傳感器初始化：主要是完成溫度傳感器中各個器件的工作狀態初始化[6]，如FPGA和STM32F405。

2） A/D程序轉換和非線性自校正：經由ADG506模擬開關傳輸為模擬的數字信號，模擬的數字信號可被由FPGA控制的ADS8322進行轉換為數字信號[7]。利用STM32F405的控制作用將測量得到的數據進行非線性自校正模型擬合。

3） 在線標校：將擬合后數據采用STM32F405處理器進行控制，按照在線標校模型實施在線標校。

4） RS 422總線輸出：即輸出在線標校后的溫度數據值。

1.3.2 ?RS 422串行接口控制設計

軟件設計過程中，RS 422串行接口控制設計，應選擇恰當的編碼方式對RS 422接口進行驅動，依照相關的規定實現RS 422通信單元與接收裝置間的數據通信[8]。圖4為RS 422軟件功能結構圖。

從圖4可以看出，RS 422軟件功能結構圖包括接收器、解碼器、發送器和編碼器四個器件。

1.3.3 ?非線性自校模型

本文對電路中非線性誤差調整算法采用最小二乘法與牛頓迭代法相結合的算法，若對電路全程實施擬合，會對部分溫度段內的測量結果造成影響，采用分段擬合的方式則可以降低溫度測量的誤差[9]。本文采用式（3）所示的多項式擬合公式進行電路的分段擬合。

依照規定，選擇符合要求的溫度精度，比較兩次迭代過程結果是否符合溫度要求，若符合要求則結束運算，得校正后的數值為溫度傳感器測得溫度結果。

2 ?實驗分析

為了驗證本文基于S3C2410的嵌入式溫度傳感器對溫度測量的精度情況，以某工業制造企業為實驗背景，對某種類型生產設備的運行過程中的發熱情況進行檢測，分別采用本文溫度傳感器、基于諧振式MEMS嵌入式溫度傳感器和分布式光纖溫度傳感器進行溫度檢測，將測得結果與生產設備的實際溫度進行對比分析，三種溫度傳感器檢測的溫度值同實際溫度值的相似精度，如表1和圖5所示。

從圖5可以得出，采用本文溫度傳感器測得的溫度結果與實際溫度在不同溫度下的相似精度較高，均達到94%以上，且隨著檢測溫度的不斷提升，本文溫度傳感器對溫度的檢測精度逐漸增強;基于諧振式MEMS的嵌入式溫度傳感器對溫度的檢測結果與實際值差別較大，且隨著溫度增加差別越來越明顯;分布式光纖溫度傳感器測得溫度與實際溫度差別最大。綜上，說明本文溫度傳感器在實際應用中對溫度的靈敏度較高，對溫度的檢測效果明顯。

3 ?結 ?論

本文設計的基于S3C2410的嵌入式溫度傳感器，可以在不同的環境溫度下對溫度進行準確測量，縮短溫度檢測時間，提高溫度傳感器的實際應用效果。

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