基于STM32F103 的智能溫度變送器設計

陳 劍，吳桂峰

（揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225000）

1 研究背景

在工業生產中，溫度是一種非常重要的參數，大多數設備的安全、穩定運行都離不開對其溫度的測量。隨著時代的發展，用戶對溫度變送器的測量精度、重復性、穩定性要求也越來越高，傳統溫度變送器已無法滿足其需求[1]，隨著電子技術的不斷發展，一種圍繞微處理器，結合先進數字化技術的新型智能溫度變送器應運而生。本文介紹了一種基于STM32F103 的智能溫度變送器設計方案，其能實現高精度的數據測量（相對誤差小于0.2%）、4～20mA 環路電流輸出、HART 通信[2]及組態調試等功能。

2 硬件設計框圖

智能溫度變送器的總體硬件電路設計框圖如圖1 所示，主要包含電源模塊、硬件看門狗、LCD 屏、按鍵、AD 采樣模塊、數字隔離模塊、微處理器、V/I 環路電流輸出模塊和HART 通信模塊。

圖1 智能溫度變送器硬件設計框圖

當所測介質溫度發生變化時，變送器外接熱電偶或熱電阻的阻值會發生相應的變化，從而引起測量電壓的變化。電壓信號經過濾波到A/D 轉換器，轉換后數據經過數字隔離后被MCU 讀取，MCU 對這些數據進行處理，經過非線性校正、溫度補償、零點跟蹤校正[3]，再轉換成對應的測量溫度在LCD 屏上顯示，同時通過D/A 芯片輸出對應的4～20mA電流信號到總線，并且將AD5700 產生的幅值為0.5mA 的正弦波信號疊加到總線上，實現雙向數字通信。

2.1 溫度測量模塊

AD7794 是一款適合應用在高精度測量中，且具有低功耗、低噪聲、完整模擬前端特性的模數轉換芯片，其內置PGA、基準電壓源、時鐘和激勵電流，從而大大簡化了熱電偶（熱電阻）測量系統的設計。AD7794 擁有六對差分信號輸入端，本文設計的溫度變送器將其端口最大化利用，可實現對熱電偶、熱電阻兩種信號的測量，同時對于熱電阻的測量可實現三線式、四線式配置切換，AD7794 與STM32F103 之間可通過SPI 總線進行通信。

2.1.1 熱電偶測量

AD7794 提供一種集成式熱電偶解決方案，可以通過軟件配置調用該方案，外部只需將熱電偶接在差分輸入口，再加一些簡單的RC 濾波器來滿足EMC 要求即可。如圖2 所示，熱電偶的冷結補償可通過一個熱電阻（PT100）和一個精密電阻（5.1k 10PPM）實現。

圖2 帶冷結補償的熱電偶測溫模塊

在芯片外圍構建一種比率式架構，將AD7794 芯片的16 腳配置成210μA 恒流源輸出，給熱電阻PT100 和5.1kΩ精密電阻供電，并且把精密電阻上的壓降作為基準電壓。通過測量熱電阻上的壓降求得其阻值，查找熱電阻溫度對照表得環境溫度，來進行冷結補償[4]。

將AD7794 的數據輸出頻率配置為16.7Hz，通過軟件設定，每讀取8 個熱電偶轉換結果就讀取1 個熱電阻轉換結果，所得數據經校正、補償后，熱電偶測得溫度等于：溫度=熱電偶溫度＋冷結溫度。

AD7794 的轉換結果由STM32F103 進行處理，將所得的最終溫度顯示在LCD 屏上。

2.1.2 熱電阻測量

熱電阻由純凈材料（如鉑、鎳或銅）制成，隨溫度變化而改變的電阻值是可預測的。本文采用的熱電阻測溫法是基于歐姆定律的定流測壓法，如圖3 所示，將AD7794 的15腳配置為恒流源輸出，為了防止自發熱，降低電流路徑上的漏電流對測量精度的影響，該腳的電流被配置為210μA 的小電流。測得熱電阻上的壓降，由于是由同一個電流驅動的，所以將測量值折合為參考電阻兩端的電壓可消除電流源中的誤差。

圖3 熱電阻測溫模塊

通常將熱電阻測量接線配置為三線式或四線式，以最大程度減少引線電阻效應[5]。本文設計通過ADG719BRTZ實現恒流源通道切換，配合適當的外圍電路達到支持三線式、四線式熱電阻配置選擇的目的。

通過對ADG719BRTZ 的1 腳控制信號的配置（低電平時S1 導通，S2 關斷；高電平時S1 關斷，S2 導通），實現恒流源的通道切換。當使用三線式配置測量溫度時，外接的RTD需按圖4 所示，將熱電阻一端的一根線與通道2 連接，另一端的兩根線分別與通道3 以及精密電阻相連。

圖4 三線式RTD 外接圖

通過軟件配置IC7 的S1 導通，IC8 的S2 導通，將AD7794 的兩個恒流輸出端都配置為210μA（設為IEXC），分別供給通道2、3，兩路電流都流向精密電阻，設AD7794 輸入端AIN1（+）的電壓為V1，AIN1（-）的電壓為V2，則有：VRTD＝V1－V2＝RRTD*IEXC。

當使用四線式配置測量時，外接的RTD 需按圖5 所示連接。

圖5 四線式RTD 外接圖

由于四線式配置對引線電阻不敏感，得VRTD＝RRTD*IEXC。

2.2 信號輸出模塊

信號輸出模塊包括兩部分，一個是4～20mA 的環路電流輸出，另一個是HART 信號輸出。前者采用AD5421，這是一款16 位高精度、低成本的DAC，具有靈活的SPI 兼容型串行接口，能夠以30MHz 速率工作，可以和常用的微處理器簡單相連，接受數字信號產生環路電流[6]，而且該芯片還可以和標準HART 協議通信電路結合使用。后者采用低功耗HART 調制解調器AD5700，其符合HART 的物理層要求，是業界功耗最低、尺寸最小的HART 半雙工調制解調器[7]。AD5700 集成了濾波、信號偵查、基準電壓源、調制解調和信號生成功能，其無需外部緩沖就能夠提供很強的輸出驅動能力，因此外圍電路簡單易用。兩者組成的信號輸出模塊如圖6 所示。

圖6 信號輸出模塊

3 軟件設計

軟件的編寫是在Keil 5 MDK 上用C 語言完成的，程序主要包括A/D 采集、定時器中斷、V/I 輸出、LCD 顯示初始化、SPI 串行總線配置、UART 串口傳輸[8]配置等。首先執行系統初始化，然后讀取EEPROM 中的配置信息，將測得的傳感器電阻值轉換為相應的電信號，最終轉換為溫度信號。最后將所得溫度信號顯示在LCD 屏上，同時將溫度信號轉換為4～20mA 標準電流并疊加HART 信號傳送到總線。系統軟件流程圖如圖7 所示。

圖7 系統軟件流程圖

4 結論

本文設計了一款基于STM32F103 的智能溫度變送器，其具有檢測精度高、工作穩定可靠、支持HART 通訊等優點。同時適用于多種熱電阻、熱電偶的溫度檢測，可以靈活地在三線式、四線式接線間切換，系統整體設計符合預期，具有廣闊的市場前景。