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教你如何用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度的簡單方式

發(fā)布時間:2019-10-29 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在關(guān)注機(jī)器健康和其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案的現(xiàn)代應(yīng)用中,隨著檢測功能的日趨普及,對更簡單的接口以及更少的I/O和更小的器件尺寸的需求也隨之增長。連接到單個微處理器或FPGA的器件密度不斷增加,而應(yīng)用空間(以及由此導(dǎo)致的I/O引腳數(shù)量)卻受到限制。在理想情況下,所有應(yīng)用都需要一個ASIC來提供小巧的集成式解決方案。
 
Q:如果系統(tǒng)中的FPGA/微處理器上只剩下一個GPIO,該如何進(jìn)行模擬測量?
 
A:可以使用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器代替模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
 
在關(guān)注機(jī)器健康和其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案的現(xiàn)代應(yīng)用中,隨著檢測功能的日趨普及,對更簡單的接口以及更少的I/O和更小的器件尺寸的需求也隨之增長。連接到單個微處理器或FPGA的器件密度不斷增加,而應(yīng)用空間(以及由此導(dǎo)致的I/O引腳數(shù)量)卻受到限制。在理想情況下,所有應(yīng)用都需要一個ASIC來提供小巧的集成式解決方案。
 
但是,ASIC的開發(fā)既耗時又昂貴,并且不具備滿足其他用途的靈活性。因此,越來越多的應(yīng)用都在使用微處理器或尺寸小巧的FPGA,以便能夠經(jīng)濟(jì)高效地按時完成產(chǎn)品開發(fā)。在本文中,我們將探討一種溫度-頻率轉(zhuǎn)換器,它只需要使用一個GPIO引腳即可提供準(zhǔn)確的溫度結(jié)果。本文還將演示如何將電壓-頻率轉(zhuǎn)換器用于各種檢測應(yīng)用。
 
動機(jī)
 
某些傳感器測量值(例如溫度、濕度和氣壓)本質(zhì)上是直流電,而且其變化速率并未快到(它們也不需要足夠精確的分辨率)足以保證ADC的需求以及與之相關(guān)的設(shè)計考慮。大多數(shù)ADC要求快速準(zhǔn)確的時鐘生成和時序、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓、具有非常低輸出阻抗的基準(zhǔn)緩沖器以及模擬前端電路,以便對傳感器輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理,然后才能對其進(jìn)行數(shù)字量化并通過系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。在進(jìn)行環(huán)境溫度檢測時,分立式應(yīng)用可能會在惠斯通電橋中使用一個熱敏電阻,然后由儀表放大器獲得其輸出,再饋入ADC。這種設(shè)計屬于過度設(shè)計,需要超出應(yīng)用所需的更多空間、功率和計算周期,而應(yīng)用本身可能僅需要每15秒進(jìn)行一次測量。
 
 
LTC6990
 
● 固定頻率或電壓控制型操作 
  - 固定:單個電阻器負(fù)責(zé)設(shè)置頻率 (最大誤差 < 1.5%) 
  - VCO:兩個電阻器負(fù)責(zé)設(shè)定 VCO 中心頻率和調(diào)諧范圍
● 頻率范圍:488Hz 至 2MHz
● 2.25V 至 5.5V 單電源操作
● 72μA 電源電流 (在 100kHz)
● 500μs 啟動時間
● VCO 帶寬 > 300kHz (在 1MHz)
● CMOS 邏輯輸出可供應(yīng) / 吸收 20mA
● 50% 占空比方波輸出
● 輸出使能 (當(dāng)停用時可以選擇低或高阻抗?fàn)顟B(tài))
  -55ºC 至 125ºC 工作溫度范圍
● 采用扁平 (高度僅 1mm) SOT-23 (ThinSOTTM) 封裝和 2mm x 3mm DFN 封裝
 
能否設(shè)計一種替代性測量解決方案,既能減少與ADC信號鏈相關(guān)的元件數(shù)量和復(fù)雜性,還能測量模擬電壓?該解決方案就是采用一個電壓-頻率轉(zhuǎn)換器(例如 LTC6990, 將其配置為電壓控制振蕩器(VCO)模式,這樣就可以用來測量模擬電壓,而無需ADC。在本示例中,將精密熱電偶放大器 AD8494配置為環(huán)境溫度傳感器,其輸出電壓用作LTC6990的輸入,從而生成一個溫度-頻率轉(zhuǎn)換器的信號鏈。
 
教你如何用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度的簡單方式
圖1. 簡單的溫度-頻率轉(zhuǎn)換器。
 
如何將溫度輸入轉(zhuǎn)換為頻率輸出?
 
如今,許多現(xiàn)代電子設(shè)備都需要板載溫度監(jiān)控系統(tǒng)。將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號或數(shù)字信號的方法已有大量的文獻(xiàn)記載。但是,如果測量解決方案需要一個ADC,則存在一些與成本、精度和速率相關(guān)的不利因素。通常,測量越精確,解決方案就越昂貴。該電路提供了一種低成本且易于連接的通用解決方案,其精度可以根據(jù)溫度測量系統(tǒng)的需求而改變。
 
AD8494是一款熱電偶精密放大器,但它也可以通過將其輸入短路接地用作環(huán)境溫度傳感器。輸出則定義為:
 
教你如何用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度的簡單方式
 
在使用單極性電源的電路中, –VS=地電壓(0 V),同時還必須向AD8494的REF引腳施加一個失調(diào)電壓,從而使輸出電壓偏置高于地電壓,即使環(huán)境溫度為負(fù)時也是如此。
 
溫度傳感器的輸出電壓 VOUT定義為:
 
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在VCO模式下,LTC6990的頻率輸出定義為:
 
教你如何用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度的簡單方式
 
由于AD8494的輸出電壓是LTC6990的 VCTRL 因此可以用公式1來替換公式2中的 VCTRL 設(shè)定 RSET = R­VCO 則得到以下結(jié)果:
 
教你如何用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度的簡單方式
 
這樣就可以解出 Tambient 消掉電壓單位,于是得到公式5:
 
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得到頻率輸出了,有什么用處呢?
 
頻率輸出的美妙之處在于可以使用單個GPIO引腳進(jìn)行傳感器測量。如果使用圖3所示的同步計數(shù)器電路,那么在其CLK_IN輸入端將始終會觀察到時鐘的上升沿。如果將LTC6990的 FOUT 用作輸入時鐘,則每次檢測到 FOUT 的上升沿時,計數(shù)器都會遞增,從而創(chuàng)建了一個周期計數(shù)器。如果每次測量之間的時間間隔保持恒定,則可以計數(shù)給定時間間隔內(nèi)的周期數(shù),并可通過浮點運(yùn)算或查找表計算出頻率。將采集時間 TAcquisition n除以計數(shù)所得的周期數(shù),可以得出 FOUT的周期。對該關(guān)系式取倒數(shù)則得到公式6。
 
教你如何用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度的簡單方式
圖2. 一個以LTC6990輸出作為其時鐘輸入的4位同步計數(shù)器。
 
教你如何用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度的簡單方式
 
Verilog代碼示例顯示了一個通過使用FPGA上的單個GPIO輸入來計數(shù)周期數(shù)的函數(shù)。采集周期越長,測量結(jié)果就越精確。在下述代碼示例中,使用了一個16位計數(shù)器來提高分辨率。同時還假定在架構(gòu)的更高層級執(zhí)行采集時間測量控制邏輯。
 
教你如何用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度的簡單方式
圖3. Verilog代碼示例。
 
教你如何用一個GPIO數(shù)字接口也能測量溫度的簡單方式
圖4. 溫度-頻率轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)。
 
結(jié)論
 
在本應(yīng)用中,我們討論了一種新型的溫度-頻率轉(zhuǎn)換器。它提供了一種精確測量溫度的低成本方法。如果溫度超過–40°C至+125°C的工業(yè)溫度范圍,則可在傳感器的輸入端安裝一個熱電偶。下圖總結(jié)列出了測量系統(tǒng)的誤差。它說明了環(huán)境溫度與輸出頻率以及系統(tǒng)精度之間的線性關(guān)系。盡管此解決方案可能無法提供非常好的溫度分辨率結(jié)果,但對于可接受大約±2°C誤差的應(yīng)用,它提供了一個經(jīng)濟(jì)簡單的溫度測量接口。此外,采用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器的概念也可用于測量其他類型的傳感器輸出,且無需使用ADC。
 
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圖5. 溫度誤差。
 
 
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