一种智能温度传感器硬件电路分析和改进Word格式.docx

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以下几点就是芯片选型的依据：

1.成本

成本是一个关键性因素。

当注重MCU的性能的同时，还要考虑系统的整体成本和开发系统时所用到的在线仿真器、编译器、汇编器、连接器、调试器以及模拟器等的成本。

不能只看到MCU的成本，有时一个快速而廉价的MCU可能会成为系统成本居高不下的问题根源，因为系统往往还需要加上各种外设，要使各种外设协同工作需要扩展总线和增加延时逻辑。

作为系统的设计者，应该尽量制定一个合理的预算，同时又能满足系统的各项要求。

2.片内要有充足的RAM和ROM

MCU内部有充足的存储器既可以节省传感器的成本，又可以减少传感器的体积。

由于CANopen协议栈由多个子协议和服务组成，而且系统采用查表方式实现传感器的显性化，因此需要大量的RAM和ROM。

3.功耗低

基于现场总线的智能传感器大多工作在距离控制室很远的地方，再加上国家提倡节约能源，因此功耗问题是值得关注的。

有时功耗太大会影响传感器的本质安全。

4.内置CAN总线接口

CAN-BUS为本系统主要输出通道，所以选用的MCU芯片必须具备CAN总线接口。

根据以上要求我们选用Atmel公司的AVR系列处理器AT90CAN32作为智能传感器的核心。

AT90CAN32为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。

AVR单片机以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一个字中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），AT90CAN32共有133条精简的指令，其中大部分为单周期指令，此外它还有一个两个指令周期的硬件乘法器。

AVR单片机采用哈佛（Harvard）结构的流水线技术，在执行一条指令的同时，下一条指令也被取出来。

由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，AT90CAN32的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾[5]。

AT90CAN32单片机是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的AVR单片机家族中的高性能单片机，具有比其他型号单片机更高的性能。

它在AVR内核的基础上增加了更多的功能，并完善了接口性能，在省电、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面也考虑得更加周全和完善，具体特点如下：

32K字节的系统内可擦写10000次的Flash程序存储器、4K字节可擦写100000次的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、一个含15个邮箱的CAN控制器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器（T/C）、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口（此接口同时还可以用于片上调试），以及六种可以通过软件选择的省电模式。

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AT90CAN32有多种片内ISPFlash可以通过SPI接口、通用编程器，或引导程序多次编程。

引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用Flash存储器。

在更新应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续运行，实现RWW操作。

通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，AT90CAN32为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案，AT90CAN32内部结构框图如图2所示。

以下重点介绍智能温度传感器应用到AT90CAN32的几个部分。

●AT90CAN32存储器结构介绍：

AVR结构具有两个主存储器空间：

数据存储器和程序存储器，如图3和图4所示。

此外，AT90CAN32还有EEPROM存储器以保存重要数据。

这三个存储器空间是独立编址和线性的。

AT90CAN32具有128K字节的在线编程Flash。

因为所有的AVR指令为16位或32位，故FLASH组织成64Kx16的形式。

考虑到软件安全性，Flash程序存储器分为两个区：

引导程序区和应用程序区。

Flash存储器至少可以擦写10，000次。

●AT90CAN32模数转换通道介绍：

ATmega128内部集成一个10位的逐次逼近型ADC。

ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口F的8路单端输入电压进行采样。

器件还支持16路差分电压输入组合。

两路差分输入（ADC1、ADC0与ADC3、ADC2）有可编程增益级，在A/D转换前给差分输入电压提供0dB（1x）、20dB（10x）或46dB（200x）的放大级。

七路差分模拟输入通道共享一个通用负端（ADC1），而其他任何ADC输入可做为正输入端。

如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。

如果使用200x增益，可得到7位分辨率。

ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。

ADC的框图如5所示。

●AT90CAN32CAN控制器介绍：

AT90CAN32的CAN控制器完全兼容CAN2.0A和CAN2.0B规范，共计15个独立的具有优先级的邮箱，支持时间触发通信协议，可以为每一个CAN报文印“时戳”，支持自动回复功能[14]。

AT90CAN32的CAN控制器结构框图如图6所示。

2.2智能温度传感器敏感元件及信号调理电路运算放大器选择

在常用的温度传感器有热电阻式、热敏电阻式及热电偶式。

热电偶用在检测高温的场合如排烟温度等；

而热电阻和热敏电阻用于测量温度较低的场合，如检测气缸冷却水温度、滑油温度、主轴温度等。

但热敏电阻的测量精度不高、非线性差，主要用作温度开关。

热电阻具有良好的线性度，尤其是铂电阻，它不仅拥有良好的线性度和复现度，而且具有很高的温度系数，其大约为3000~7000ppm/℃。

考虑到系统的成本和功耗问题，我们选用Pt100作为敏感元件。

如上述论述可知，铂电阻将以电阻的变化来反映温度的变化，而电阻不易变换，必须用适当的电路来实现电阻到电压的转化。

一般采用惠斯登电桥法，惠斯登电桥法得到是很微弱的电压（毫伏级的电压），该电压必须经过适当的放大才能被使用。

这就要求放大器增益高，性能稳定，尤其是零点漂移、温度漂移、增益、稳定性等指标要求较高，也就是要能对信号实现精密放大处理，满足计量要求。

这时，设计师们往往首选就是采用专用精密集成运算放大器，然而精密集成运算放大器价格较高，芯片供电多采用双电源对称供电，对供电电路要求较高，应用上不太方便。

而LM358系列集成运放是4组独立的高增益的、内部频率补偿、输入偏置电流是温度补偿的、单位增益带宽是温度补偿的运算放大器，它既可以单电源使用，也可以双电源使用，电源电压可以从+5V到±

15V，而且驱动功耗低，每一组运放差模增益可达到100dB。

通过外围电路的合理设计，以LM358为主要器件的放大电路完全能满足高放大倍数、高稳定性的仪器仪表信号的放大处理要求。

2.3智能温度传感器CAN总线通信器件选择

由前文可知AT90CAN32在片内集成了CAN总线控制器，故只需要外加两只CAN总线收发器就可构成CAN总线通信模块。

市场上有许多种CAN总线收发器，如Philips公司生产的AU5790、PCA82C251和TJA1040，德州仪器公司生产的SN65HVD230等。

AU5790价格低廉，但最高传输速度为83kbps；

PCA82C251是性价比最为合理的一款CAN总线收发器，其价格较低且最高传输速度为1Mbps；

TJA1040的性能较PCA82C251并没有多大的提高，只是它可由3.3V供电，且其的电磁辐射较低；

SN65HVD230具有良好抗干扰能力和高可靠性，由3.3V供电，最高速率可达1Mbps，但它主要是与带有CAN控制器的TMS320Lx240x系列DSP配套使用，且其价格较高。

综合上述分析，本系统的CAN总线收发器采用Philips公司的PCA82C251。

PCA82C251是较为常用的一款CAN总线收发器，是CAN协议控制器和物理总线间的接口，它主要是为汽车中高速通讯（高于1Mbps）应用而设计。

此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，完全符合“ISO11898”标准。

PCA82C251的特点有：

1）完全符合“ISO11898”标准

2）高速率（最高达IMbps）

3）应用在汽车环境中具有抗瞬变的总线保护能力

4）信号上升沿和下降沿的斜率控制，以降低射频干扰（RFI）

5）差分接收器，在宽范围内具有抗共模干扰和抗电磁干扰（EMI）

6）过热保护

7）防止电池和地之间的发生短路

8）低电流待机模式

9）未上电的节点对总线无影响

10）可挂载110个节点

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，AT90CAN32CAN控制器的TXD和RXD并不是直接与PCA82C251的TXD和RXD相连，而是通过高速光藕6N137后与PCA82C251相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。

2.4智能温度传感器电源模块以及供电方式的选择

正确选择电源表面上看似易如反掌，然而，随着需要多电源电压的电子产品的推出，这项工作变得愈发复杂。

当选择实际系统中所需的电源时，必须考虑成本、解决方案的外形尺寸、输入输出的电压以及所需的输出功率等诸多因素。

另外还要结合系统的实际需求来选择。

目前市场上主要有两种类型的低电压电源芯片：

线性稳压器（LDO）和开关式（BUCK）稳压器。

线性稳压器成本低，电路简单，不易受电磁干扰，输出纹波小，但缺点是电源转换效率低，尤其是应用在低电压稳压电路中。

而开关式稳压器的供电效率高，输入电压范围宽，输出功率大，可以缓启动，主要缺点是输出电压中纹波较大。

本系统既有模拟电路，又有数字电路；

而且用于CAN节点间电气隔离的6N137的两个电源必须完全隔离，否则采用光藕也就失去了意义，因此本系统采用输入输出彼此隔离和稳压输出的供电方式。

综合上述因素，我们采用DC/DC开关电源模块来构建传感器的电源，此外，DC/DC电源模块还要具有稳压和隔离的作用。

目前市场上生产这种DC/DC电源模块的厂家有很多，经过市场调研我们选用上海恒率电源科技有限公司生产的S05ID05-1W。

S05ID05-1W为一款宽电压输入、双端稳压输出、高隔离的DC/DC电源，它具有如下特点：

1）内置输入滤波器，负载效应：

≤±

2%（0%~100%负载）

2）过流保护点：

110%~150%标称输出电流自恢复

3）工作温度：

-25/-40~+85℃

4）隔离电压：

1000VDC~3000VDC

5）输出纹波/噪声（20MHz）：

50mVp-pMax

6）开关频率：

150~200KHz，

7）MTBF（平均故障间隔）：

200000h

8）功率：

0.1W~2W

S05ID05-1W为本系统提供了5V到正负5V的转换，不仅体积小，而且还具有高隔离和稳压作用。

3智能温度传感器硬件结构

结合上述所选元件，由AT90CAN32为处理器核心的CAN总线智能温度传感器硬件结构图如图7所示。

4智能温度传感器温度采集电路设计

热电阻与后续处理电路接线有三种方式：

两线制、三线制和四线制。

两线制接线简单，但对引线电阻有一定要求，否则会引起较大的误差。

三线制是工业上常用的接线方式，这对于远程安装敏感元件（Pt100并附Pt100分度表），该接线方式可以降低延长线引起的误差。

三线制连接方式常采用恒压式、惠斯登电桥实现电阻到电压的转换，如图8所示。

然而这种接线方式在整个量程范围内测量误差也不会为零，具体原因见下文。

四线制可以实现更高精度测量，它采用恒流供电，一般在实验室精密测量中使用，但在工业场合中电流要做到恒流是很难的，即便做到也是成本很高。

因此，我们采用工业上最为常用的三线制连接方式，如图8所示。

图8中，r1、r2、r3为延长线电阻，+5AV为电压源，设

，则

（1）

由于三根引线是材料相同、长度相等，即

（2）

其中

是为了避免后面的ADC在输入电压为0V时采样不准而增加的；

是为了降低偏置电压，从而使

与

成正比。

很明显，上式抵消了导线电阻产生的误差电压。

但由于

随

的温度变化而变化，则

的条件随温度上升而产生偏差。

为了减弱这种误差，一方面可以增加

和

的阻值，从而减弱

的变化对

，同时也减少了由于流过Pt100的电流产生自身温升；

另一方面，可以通过数字滤波的方法来消除这种误差。

由图8可以得出当环境温度由0℃变化到100℃时，惠斯登电桥的输出电压

从1.175256mV变化到19.952216mV，由此可见

还是非常微弱的电压信号，还需要进行适当的放大才能送给ADC进行模数转换。

我们采用LM358构成的仪表放大器进行信号的放大，如图9所示。

图9中，仪表放大器由3个LM358运算放大器组成，可以将其分为两级来进行分析。

前一级由两个同相放大器组合而成，输出分别是U3和U6；

后一级由IC1A和R3、R4、R9、R10组成[1]。

对于前一级按照虚短、虚断方法分析可得U1=U4，U2=U5的结论，则R6和R7上的电流为：

（3）

进一步推得

（4）

（5）

若定义：

（6）

是后级的差分输入电压，若保证

，则后级是标准的差分放大器。

将上述式子结合运算，则得到

（7）

而图9电路中

，则仪用放大器的增益公式可简化为：

（8）

可以证明，在前级的运放IC1B和IC1C参数匹配，即它们的外部电路参数相同且其电气特性（包括失调参数）也相同的情况下，两个输入端的失调所导致的输出是相互抵消的。

由运放IC1A组成的后级是一个标准的差动运算放大器，其产生的输出误差失调在增益为1的情况下是很小的，可以忽略不计[2]。

通过对图9电路的分析可以知道共模干扰信号在

上不产生电流，因此共模干扰也不会得到放大，这就是说在输出电压中不会出现共模干扰信号的影响。

虽然如此，我们在选择仪表放大器的电阻时还是要选择高精度，温漂小的金属电阻。

由图8和图9可知，

=

，将

（2）式代入（8）式得：

（9）

由于系统采用AT90CAN32片内ADC，且使用其内部的2.56V参考电压作为ADC基准电压源，故通过适当选择精密电阻

、

要使

在0到2.56V之间。

模数转换部分采用AT90CAN32内部集成的10位AD转换器来进行模拟量到数字量的转换。

如图10所示。

AT90CAN32芯片上集成了一个10位的逐次逼近型ADC，ADC与一个8个通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口F的8路单端输入电压进行采样，也可以

对16路差分输入电压进行采样。

ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。

ADC由芯片的AVCC引脚单独提供电源，AVCC与VCC之间的偏差不能超过

V，标称值为2.56V的基准电压和AVCC都位于器件之内。

基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。

本系统只用了通道ADC0的单端输入。

系统内部及外部的数字电路都会产生电磁干扰（EMI），从而影响模拟测量的精度。

为了得到较高的转换精度，可以通过以下方法来减少噪声：

1）模拟通路越短越好，保证模拟信号线位于模拟地之间，并使它们与高速切换

的数字信号线分开。

2）如图10所示，AVCC应通过一个LC网络与数字电压源VCC连接。

3）使用ADC噪声抑制器来降低来自CPU的干扰噪声。

5智能温度传感器CAN通信电路分析

AT90CAN32单片机的CAN总线接口为PD5、PD6，为了提高单片机对CAN总线的驱动能力，可以用82C250作为CAN控制器和物理总线之间的接口，以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力[3]。

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，单片机的TXCAN和RXCAN引脚并不是直接和82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光电耦合器6N137再与之连接，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。

6N137所使用的+5V和5V-E必须完全隔离。

电源的完全隔离采用24V转5V的电源模块和独立5V的开关电源。

这部分虽然增加了接口电路的复杂性，却提高了节点的稳定性和安全性，CAN通信接口如图11所示。

82C250的S引脚上接一个斜率电阻，电阻的大小可根据总线通信速度适当调整，一般在16~140

之间[4]。

6智能温度传感器的JTAG试接口

AT90CAN32单片机片内具有与IEEE1149.1标准兼容的JTAG接口。

在设计使用中，可以通过JTAG边界扫描功能测试PCB，对非易失性存储器Flash和EEPROM、熔丝位和锁定位进行编程，可以使用AVRStudio环境进行片上调试（OCD）。

JTAG接口有4个引脚，这些引脚组成了测试访问端口TAP。

这些引脚是：

●TMS：

测试模式选择。

用来实现TAP控制器各个状态之间的切换。

●TCK：

测试时钟。

JTAG操作的TCK同步时钟。

●TDI：

测试数据输入。

通过此引脚移位到指令寄存器或数据寄存器。

●TDO：

测试数据输出。

自指令寄存器或数据寄存器串行移出数据。

JTAG使能熔丝位没有编程时，4个TAP引脚为普通I/O引脚，TAP控制器处于复位状态。

若JTAG使能熔丝位被编程且MCUCSR的JTD位清零，TAP信号由片内上拉电阻拉高，可以通过JTAG接口进行边界扫描和编程。

当JTAGTAP控制器不移出数据时，TAP输出引脚（TDO）悬空，因此必须接一个上拉电阻或其他硬件以拉高电压。

使能熔丝位JTAG在芯片出厂前即已编程。

对于OCD系统，调试器还监控RESET引脚以检测外部复位源。

调试器也可以将RESET拉低以复位整个系统。

JTAG调试接口如图12。

7智能温度传感器的电源分析

本智能温度传感器使用到模拟和数字电源两个部分，此外为了增强系统的抗干扰能力，CAN收发器的电源和MCU电源必须采用隔离供电，作为传感器的电源部分必须具有小体积。

由3.4节可知LM358采用正负电源供电，我们采用DC/DC变换器S05ID05-1W来实现5V到正负5V的转换如图13，转换后的正负5V用于模拟电路。

而模拟电源和MCU电源之间使用磁珠来实现隔离，如图14所示。

硬件设计时，为了抑制高频和低频信号的干扰，在每路电源进来的时候都分别加了相应的滤波电容。

8电路原理图设计及后期处理

1.制作电路原理图元器件库。

虽然Protel99SE中提供了超过16000种元器件，并且有ANSI（美国国家标准学会）、DEMORGAN、IEEE三种模式的丰富元器件库，但在实际应用中，有些新型的元器件就无法在库中找到。

因此要绘制新的元器件，并建立一个元器件库，把经常使用的元器件放入其中，使应用更加方便[19]。

2.制作/修改PCB元器件封装库。

在设计PCB时会遇到元器件封装库中没有的PCB元器件封装，这同样需要创建一个新的PCB元器件封装。

创建新的元器件封装主要有三种办法：

利用元器件封装向导创建新、手工绘制元器件封装和编辑、修改现有的封装。

PCB的元器件封装需要对PCB的机械安装结构进行检查和确认。

3.检查电路原理图。

原理图一定要准确、规范，否则，在以后的工作中就会遇到一系列的问题，且难以查出。

因此，设计完成电路原理图后，要检查电路原理图是否完全正确，并对原理图进行一些修饰，使其可视性更好。

4.进行电气规则测试。

电气规则测试（ERC）是利用Protel99SE软件对设计的电路原理图进行测试，以便检查出不符合电气规则的地方。

执行检查操作后，软件会自动生成各种可能出现的错误报表，并在电路中标注出来，便于设计人员进行修改以保证PCB布线的电气性能。

5.生成各种电路原理图报表文件。

在开发电子产品时，还需要一份元器件的详细清单以便采购人员进行元器件的采购。

另外，在通过Protel99SE进行电路板布线时还需要调入网络表才能工作，因此需要生成各种报表以便进行后面的工作[6]。

9智能传感器PCB设计

在当今激烈竞争的电子市场中，由于成本指标限制，设计人员常常使用双面板。

尽管多层板方案在尺寸、噪声和性能方面具有明显