實(shí)現(xiàn)高度精確的溫度測量設(shè)計(jì)

雖然溫度測量對(duì)于很多應(yīng)用來說是一項(xiàng)常規(guī)要求，但開發(fā)人員在確保結(jié)果高度準(zhǔn)確方面仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？朔@些挑戰(zhàn)往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于復(fù)雜以及設(shè)計(jì)周期的延長，但新型器件的出現(xiàn)正在不斷降低這種復(fù)雜性。

本文旨在簡單討論一下與開發(fā)精確解決方案相關(guān)的溫度測量要求和挑戰(zhàn)。隨后本文會(huì)介紹 Linear Technology LTC2986-1 溫度傳感器，說明該產(chǎn)品如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)；最后會(huì)向開發(fā)人員展示如何在含有各種溫度傳感器（包括熱電偶、RTD 和熱敏電阻）的典型應(yīng)用中利用這些功能。

溫度測量要求和技術(shù)

在構(gòu)建強(qiáng)大的溫度測量系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要利用各類傳感器來滿足其對(duì)成本、精度和溫度范圍的特定要求。在這些傳感器類型中，通常會(huì)在苛刻的環(huán)境中使用熱電偶，因?yàn)樗鼈兡軌驕y量 -265°C 至 1800°C 以上的溫度。

熱電偶所產(chǎn)生的電壓是尖頭與其冷結(jié)（用來構(gòu)成熱電偶的兩條導(dǎo)線的末端）之間溫差的函數(shù)。因此，整體測量精度取決于熱電偶電壓和冷結(jié)的精確測量。

由于 Seebeck 效應(yīng)，熱電偶會(huì)產(chǎn)生電壓梯度，而其他常見的溫度傳感器還包括電阻溫度檢測器 (RTD)、熱敏電阻和二極管，同時(shí)需要激勵(lì)電流才能產(chǎn)生隨溫度變化的電壓輸出。作為電阻器件，RTD 和熱敏電阻還需要與激勵(lì)電流源串聯(lián)的精密檢測電阻。檢測電阻會(huì)與電阻器件形成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，從而可對(duì)通過傳感器的電壓進(jìn)行輻射計(jì)式測量。最后，就各種類型的傳感器而言，開發(fā)人員需要采用相應(yīng)方法，以便使用查找表或方程將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為線性化溫度數(shù)據(jù)。

除了要處理傳感器外，開發(fā)人員在確保溫度測量系統(tǒng)正常運(yùn)行方面也面臨著多重挑戰(zhàn)。溫度傳感器通常放置在工廠、商業(yè)環(huán)境、建筑物和家中一些環(huán)境較為惡劣的位置，無論在那里，應(yīng)用都要求能夠測量空氣或液體流動(dòng)中的溫度梯度。在工業(yè)應(yīng)用中，在傳感器和測量系統(tǒng)輸入之間使用長電纜，會(huì)使電纜受到電氣噪聲、磨損和外部電壓源影響，可能會(huì)損壞傳感器及其測量系統(tǒng)。

工程師采用了各種各樣的方法來處理影響溫度測量系統(tǒng)性能的各種因素。隨著對(duì)溫度傳感器需求的不斷增長，傳統(tǒng)方法通常會(huì)加大設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并且還會(huì)增加部署和維護(hù)成本。Linear Technology 的 LTC2986-1 能應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，它可以借助多個(gè)傳感器提供精確的溫度測量，開發(fā)人員需要花費(fèi)的精力也很少。

降低復(fù)雜性

Linear Technology 的 LTC2986-1 是一款多通道溫度測量系統(tǒng)，旨在簡化設(shè)計(jì)復(fù)雜性，支持大多數(shù)傳感器類型，其中包括熱電偶、RTD、熱敏電阻、二極管和有源模擬溫度傳感器。由于此器件已集成完整的信號(hào)路徑、轉(zhuǎn)換、線性化和其他功能，因此開發(fā)人員可借助溫度傳感器本身及一些其他元器件實(shí)現(xiàn)高度精確的溫度測量設(shè)計(jì)（圖 1）。如下所述，盡管該系列的早期產(chǎn)品（如 Linear Technology LTC2984）可提供更多輸入通道，但 LTC2986-1 能提供其他工作模式，從而實(shí)現(xiàn)以獨(dú)特的解決方案提高精度。

圖 1：Linear Technology 的 LTC2986-1 具備十個(gè)輸入通道、可編程電流源、內(nèi)置線性化表和故障檢測功能，所以設(shè)計(jì)人員可將各種溫度傳感器與其連接。（圖片來源：Linear Technology）

對(duì)于 RTD、熱敏電阻和二極管，該器件會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生指定電平的激勵(lì)電流，測量所得的傳感器電壓，并生成線性化結(jié)果（單元為 °C 或 °F）。LTC2986-1 經(jīng)過預(yù)編程，帶有針對(duì)大多數(shù) RTD 和熱敏電阻的轉(zhuǎn)換和線性化數(shù)據(jù)。同樣地，該器件幾乎能對(duì)所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行預(yù)配置，還能使用 RTD、熱敏電阻、二極管或有源模擬溫度傳感器支持冷結(jié)補(bǔ)償。就溫度測量而言，該器件會(huì)自動(dòng)求解將熱電偶輸出電壓和冷結(jié)測量值轉(zhuǎn)換為實(shí)用溫度讀數(shù)所涉及的多項(xiàng)式方程。對(duì)于更為常規(guī)的轉(zhuǎn)換要求，開發(fā)人員可使用 LTC2986-1 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 執(zhí)行單端或差分電壓測量，生成原始電壓結(jié)果或利用可編程查找表對(duì)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

除了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件的數(shù)據(jù)外，該器件還可與定制 RTD、熱電偶、二極管、有源傳感器和熱敏電阻配合使用。對(duì)于定制器件，開發(fā)人員可將查找表加載到存儲(chǔ)器中，該表包含多達(dá) 64 個(gè)表示傳感器相對(duì)溫度輸出值的數(shù)據(jù)點(diǎn)。對(duì)于定制熱敏電阻，開發(fā)人員還可直接將多達(dá)六個(gè)熱敏電阻制造商通常提供的 Steinhart-Hart 系數(shù)加載到該器件。與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的內(nèi)置數(shù)據(jù)一樣，該器件在轉(zhuǎn)換過程及軟故障檢測期間會(huì)使用這些定制系數(shù)和查找表確認(rèn)最終的溫度插值（圖 2）。

圖 2：Linear Technology 的 LTC2986-1 可將開發(fā)人員創(chuàng)建的查找表用于定制器件，當(dāng)輸入值超出所提供的輸入數(shù)據(jù)范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)。（圖片來源：Linear Technology）

提高精度和保護(hù)

對(duì)于轉(zhuǎn)換過程，該器件使用多個(gè)周期來提升精度。在正常操作中，該器件會(huì)是使用兩個(gè)周期，已在產(chǎn)生最終溫度結(jié)果之前補(bǔ)償失調(diào)誤差和噪聲。開發(fā)人員也可以用三周期模式使用該器件，即放緩測量速度以獲取某些好處；其中三周期模式和兩周期模式的時(shí)間分別約 251 毫秒 (ms) 和 167 ms。

在三周期模式下，該器件可以在第一個(gè)周期通過產(chǎn)生電流脈沖來執(zhí)行開路檢測，然后再進(jìn)行兩個(gè)周期的正常轉(zhuǎn)換過程。若該器件在隨后的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)檢測到較高電壓，它將會(huì)設(shè)置一個(gè)狀態(tài)位以報(bào)告硬故障，從而指示熱電偶或電纜可能已受損。此外，除開路所致的硬故障外，該器件還能報(bào)告多種不同的故障情況（圖 3）。

位故障錯(cuò)誤類型描述輸出結(jié)果D31傳感器硬故障硬開路、ADC 或冷結(jié)硬故障-999°C 或 °FD30ADC 超范圍硬故障硬ADC 讀數(shù)錯(cuò)誤（可能混雜外部噪聲事件）-999°C 或 °FD29冷結(jié)硬故障硬冷結(jié)傳感器出現(xiàn)硬故障錯(cuò)誤-999°C 或 °FD28冷結(jié)軟故障軟冷結(jié)傳感器結(jié)果超出正常范圍可疑讀數(shù)D27傳感器過壓軟熱電偶讀數(shù)高于上限可疑讀數(shù)D26傳感器欠壓軟熱電偶讀數(shù)低于下限可疑讀數(shù)D25ADC 超范圍軟ADC 絕對(duì)輸入電壓超過 ±1.125 × VREF/2可疑讀數(shù)D24有效不適用結(jié)果有效（應(yīng)為 1），如果為 0，則放棄結(jié)果有效讀數(shù)

圖 3：Linear Technology 的 LTC2986-1 可為所有傳感器讀數(shù)生成硬故障和軟故障，還能提供與熱電偶傳感器相關(guān)的冷結(jié)測量附加結(jié)果，如圖所示。（圖片來源：Linear Technology）

除了保護(hù)應(yīng)用免受傳感器故障影響外，開發(fā)人員通常還會(huì)采用設(shè)計(jì)技術(shù)專門來保護(hù)測量系統(tǒng)本身。溫度傳感器通常會(huì)用于惡劣環(huán)境。諸如熱電偶之類的傳感器通常完全外露，以便為測量系統(tǒng)的輸入提供可接入的導(dǎo)電路徑。即便使用 RTD 或熱敏電阻等封裝傳感器，電纜也有可能受損，進(jìn)而導(dǎo)致引線可能出現(xiàn)高壓短路或彼此之間的短路。最后，即使是非常細(xì)心的操作員和技術(shù)人員也會(huì)不小心做出錯(cuò)誤的電纜連接，尤其是在可與不同傳感器類型的通用硬件連接配合使用的應(yīng)用中。

為了保護(hù)測量系統(tǒng)不出現(xiàn)過壓情況，開發(fā)人員通常會(huì)在測量系統(tǒng)的傳感器和輸入通道之間放置限流電阻。通常情況下，設(shè)計(jì)人員會(huì)增加電容器以建立低通濾波器，進(jìn)而減弱噪聲源。這些濾波器會(huì)延長建立時(shí)間，在使用激勵(lì)電流脈沖的方法（如上文所述的 LTC2986-1 轉(zhuǎn)換過程）中運(yùn)用這些濾波器特別有問題。除了建立時(shí)間會(huì)增加復(fù)雜度外，保護(hù)電阻的使用也會(huì)影響測量精度。

LTC2986-1 所提供的功能和工作模式專為減輕保護(hù)電阻的次要不利影響而設(shè)計(jì)。例如，為了抵消因器件輸入端的較大濾波器所致的建立時(shí)間延長，開發(fā)人員可在該器件的輸入多路復(fù)用器開關(guān)時(shí)間中編程加入附加延遲。假如可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生更大影響，該器件獨(dú)特的激勵(lì)電流模式可解決更多與保護(hù)電阻相關(guān)的串聯(lián)電阻的基本問題。

雖然保護(hù)電阻對(duì)于確保安全而言至關(guān)重要，但是用于像 RTD 或熱敏電阻這樣的任何電阻器件時(shí)很有問題。在兩端子電阻器件中，當(dāng)激勵(lì)電流流經(jīng)保護(hù)元件的附加串聯(lián)電阻時(shí)，添加保護(hù)電阻會(huì)影響電壓測量。由于傳感器是電阻器，開發(fā)人員通常也要面臨將傳感器電阻與保護(hù)電阻及其引線相關(guān)的附加串聯(lián)電阻分開的挑戰(zhàn)。

為了解決此問題，工程師采用 3 線 RTD，并在 RTD 端子和外加電線之間使用電阻來測量引線電阻。當(dāng)然，這種方法需要仔細(xì)匹配引線長度和串聯(lián)電阻以確保其精度。為避免出現(xiàn)匹配問題，采用 4 線式或開爾文檢測，在每個(gè)端子上使用電阻器可能是更好的解決方案（圖 4）。

圖 4：傳統(tǒng) 4 線 RTD 允許電流繞過用于保護(hù)測量通道的串聯(lián)電阻（此圖中的 CH3 和 CH4），因此通過這些通道的漏電電流非常低，進(jìn)而能將測量誤差控制在有限范圍。（圖片來源：Linear Technology）

在此配置中，電流通過的路徑（圖 4 中的 CH1 至 CH5）不涉及測量通道（CH3 和 CH4）上的串聯(lián)保護(hù)電阻。流經(jīng)測量通道的所有電流均僅限于器件的漏電電流。由于 LTC2986-1 的輸入漏電電流小于 1 納安 (nA)，相關(guān)的測量誤差通常會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于任何所需的分辨率水平。

不過，若是借助 LTC2986-1，此方法便不再受限于 4 線 RTD。工程師可以對(duì)器件進(jìn)行配置，使用 3 線 RTD、2 線 RTD 和熱敏電阻執(zhí)行開爾文檢測。

對(duì)于各種此類傳感器，LTC2986-1 可提供獨(dú)特的激勵(lì)模式，即將相鄰?fù)ǖ烙米麟娏髀窂?。為了?shí)現(xiàn)這種模式，開發(fā)人員需在每個(gè)傳感器端子和獨(dú)立的 LTC2986-1 輸入之間連接一個(gè)附加保護(hù)電阻。然后，僅需在 LTC2986-1 配置寄存器中設(shè)置位并正確配置輸入通道，即可啟用這一附加電流路徑（圖 5）。與更為傳統(tǒng)的 4 線器件一樣，激勵(lì)電流可躲開測量通道，從而減少測量誤差。

圖 5：開發(fā)人員可以將 Linear Technology 的 LTC2986-1 配置為使用相鄰?fù)ǖ雷鳛榧?lì)電流路徑，從而為 2 線 RTD 和熱敏電阻帶來開爾文檢測的優(yōu)勢。（圖片來源：Linear Technology）

無論設(shè)計(jì)人員是否使用這種替代激勵(lì)模式，他們在采用 LTC2986-1 設(shè)置傳感器時(shí)仍需遵循基本協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)傳感器連接，他們需要對(duì)通道進(jìn)行分配并利用傳感器配置數(shù)據(jù)加載相關(guān)的存儲(chǔ)器位置（圖 6）。此通道分配數(shù)據(jù)會(huì)駐留在 RAM 中的連續(xù)位置，并與該器件的十個(gè)輸入通道一一對(duì)應(yīng)。對(duì) RAM 進(jìn)行編程后，開發(fā)人員可以在器件內(nèi)置的 EEPROM 中保存配置，以便在隨后的掉電或休眠周期后進(jìn)行恢復(fù)。

圖 6：為了配置 Linear Technology 的 LTC2986-1，開發(fā)人員需創(chuàng)建包含相關(guān)傳感器詳細(xì)信息的通道分配數(shù)據(jù)塊。（圖片來源：Linear Technology）

在存儲(chǔ)器的各個(gè)通道分配數(shù)據(jù)塊內(nèi)，開發(fā)人員需定義傳感器配置的詳細(xì)信息，包括傳感器類型、通道、傳感器配置、激勵(lì)電流以及標(biāo)準(zhǔn)或定制轉(zhuǎn)換信息的預(yù)定義值。以下所示為圖 6 左上角所示 PT-100 RTD 器件的存儲(chǔ)器映射（圖 7）。

圖 7：通道分配數(shù)據(jù)包含每個(gè)傳感器的相關(guān)配置細(xì)節(jié)——此處為圖 6 左上角所示 PT-100 RTD 的相關(guān)存儲(chǔ)器映射。（圖片來源：Linear Technology）

只有仔細(xì)關(guān)注每個(gè)細(xì)節(jié)，才能在復(fù)雜的多傳感器溫度系統(tǒng)中為每個(gè)通道配置合適的存儲(chǔ)器映射。由于該器件具備適合各種傳感器和傳感器類型的內(nèi)置支持，開發(fā)人員則需確保為其特定的傳感器選擇正確的代碼。配置錯(cuò)誤可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

為免于手動(dòng)配置，Linear Technology 可提供基于 Windows? 的免費(fèi) LTC2986 演示軟件程序，如此一來，開發(fā)人員便能利用下拉菜單選項(xiàng)為每個(gè)通道指定配置。開發(fā)人員可以從演示板或 LTC2986-1 規(guī)格書中所示特定圖表，加載配置示例（圖 8）。

圖 8：Linear Technology LTC2986 演示軟件可簡化器件的使用方式，即為相關(guān)硬件開發(fā)板提供預(yù)定義配置下拉菜單選擇，以及加載 LTC2986-1 規(guī)格書中的示例。（圖片來源：Linear Technology）

例如，上文圖 6 所示的兩個(gè) 4 線 RTD 配置就取自 LTC2986-1 規(guī)格書中的圖 22。從該程序的配置下拉菜單中選擇該圖即可為該配置生成相應(yīng)的設(shè)置（圖 9）。

圖 9：Linear Technology 的 LTC2986 演示軟件可依次產(chǎn)生用于生成通道分配數(shù)據(jù)的詳細(xì)配置。（圖片來源：Linear Technology）

除了簡化配置創(chuàng)建外，該程序還能對(duì)定制配置進(jìn)行評(píng)估以確保分配正確無誤。最重要的是，該程序還可生成一組相應(yīng)的 C 語言頭文件和軟件例程，而且都能在 Linear Technology 的 DC2026 Arduino 兼容的 Linduino One 板上執(zhí)行，處理起來毫不費(fèi)力。

例如，圖 9 所示配置生成的 C 代碼會(huì)自動(dòng)生成初始化例程，其中包含實(shí)現(xiàn)所需存儲(chǔ)器映射的軟件分配（如圖 7 所示）。正如列表 1 所示，生成的代碼會(huì)使用隨附的一組已定義常數(shù)來創(chuàng)建相應(yīng)的通道分配語句（列表 1）。

...

void configure_channels()

{

uint8_t channel_number;

uint32_t channel_assignment_data;

// ----- Channel 2: Assign Sense Resistor -----

channel_assignment_data =

SENSOR_TYPE__SENSE_RESISTOR |

(uint32_t) 0x9C4000 << SENSE_RESISTOR_VALUE_LSB;??????????? // sense resistor - value: 10000.

assign_channel(CHIP_SELECT, 2, channel_assignment_data);

// ----- Channel 4: Assign RTD PT-100 -----

channel_assignment_data =

SENSOR_TYPE__RTD_PT_100 |

RTD_RSENSE_CHANNEL__2 |

RTD_NUM_WIRES__4_WIRE |

RTD_EXCITATION_MODE__ROTATION_SHARING |

RTD_EXCITATION_CURRENT__100UA |

RTD_STANDARD__ITS_90;

assign_channel(CHIP_SELECT, 4, channel_assignment_data);

// ----- Channel 7: Assign RTD PT-500 -----

channel_assignment_data =

SENSOR_TYPE__RTD_PT_500 |

RTD_RSENSE_CHANNEL__2 |

RTD_NUM_WIRES__4_WIRE |

RTD_EXCITATION_MODE__NO_ROTATION_SHARING |

RTD_EXCITATION_CURRENT__50UA |

RTD_STANDARD__AMERICAN;

assign_channel(CHIP_SELECT, 7, channel_assignment_data);

}

...

// -------------- Run the LTC2986 -------------------------------------

void loop()

{

measure_channel(CHIP_SELECT, 4, TEMPERATURE); // Ch 4: RTD PT-100

measure_channel(CHIP_SELECT, 7, TEMPERATURE); // Ch 7: RTD PT-500

}

列表 1：Linear Technology 的 LTC2986 演示軟件程序生成的代碼會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生通道分配語句，包括與圖 7 所示存儲(chǔ)器映射對(duì)應(yīng)的通道 4 分配。（代碼來源：Linear Technology）

無論是采用 Linduino 平臺(tái)還是其他硬件，所生成的代碼集都會(huì)展示與使用 LTC2986-1 相關(guān)的主要設(shè)計(jì)模式。例如，列表 1 中的代碼片段顯示了數(shù)據(jù)采集的基本回路。只要查閱生成的代碼，開發(fā)人員便能檢查器件使用所涉及的具體操作。例如，列表 1 中顯示的頂級(jí)函數(shù) x measure_channel 會(huì)調(diào)用訪問器件寄存器的低級(jí)例程來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，等待完成，然后讀取結(jié)果（列表 2）。在此例中，所生成的程序只是將結(jié)果打印到控制臺(tái)，但開發(fā)人員可以輕松為其應(yīng)用修改該代碼。

// *****************

// Measure channel

// *****************

void measure_channel(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number, uint8_t channel_output)

{

convert_channel(chip_select, channel_number);

get_result(chip_select, channel_number, channel_output);

}

void convert_channel(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number)

{

// Start conversion

transfer_byte(chip_select, WRITE_TO_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, CONVERSION_CONTROL_BYTE | channel_number);

wait_for_process_to_finish(chip_select);

}

...

void wait_for_process_to_finish(uint8_t chip_select)

{

uint8_t process_finished = 0;

uint8_t data;

while (process_finished == 0)

{

data = transfer_byte(chip_select, READ_FROM_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, 0);

process_finished = data & 0x40;

}

}

// *********************************

// Get results

// *********************************

void get_result(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number, uint8_t channel_output)

{

uint32_t raw_data;

uint8_t fault_data;

uint16_t start_address = get_start_address(CONVERSION_RESULT_MEMORY_BASE, channel_number);

uint32_t raw_conversion_result;

raw_data = transfer_four_bytes(chip_select, READ_FROM_RAM, start_address, 0);

Serial.print(F("\nChannel "));

Serial.println(channel_number);

// 24 LSB's are conversion result

raw_conversion_result = raw_data & 0xFFFFFF;

print_conversion_result(raw_conversion_result, channel_output);

// If you're interested in the raw voltage or resistance, use the following

if (channel_output != VOLTAGE)

{

read_voltage_or_resistance_results(chip_select, channel_number);

}

// 8 MSB's show the fault data

fault_data = raw_data >> 24;

print_fault_data(fault_data);

}

列表 2：Linear Technology 的 LTC2986 演示軟件可生成 Linduino 就緒代碼，包括旨在執(zhí)行器件通道低級(jí)訪問的支持例程，如此代碼片段所示。（代碼來源：Linear Technology）

借助該軟件，開發(fā)人員可使用 Linear Technology DC2608A 套件快速啟動(dòng) LTC2986-1 硬件開發(fā)。DC2618 套件旨在與 Linduino 配合使用，提供含有 LTC2986-1 的演示板和試驗(yàn)板。與 LTC2986 演示軟件結(jié)合使用時(shí)，此套件便能為快速開發(fā)溫度感測應(yīng)用提供一個(gè)平臺(tái)。

總結(jié)

溫度測量系統(tǒng)通常需要在苛刻的環(huán)境下工作，這就為開發(fā)人員帶來了一系列挑戰(zhàn)，保護(hù)機(jī)制與測量精度之間的沖突便是其中之一。借助 LTC2986-1 和相關(guān)開發(fā)工具，工程師現(xiàn)在可以快速實(shí)現(xiàn)既安全、又精確的溫度測量系統(tǒng)。