蔣禮林

摘 ?要： 傳統(tǒng)基于諧振式MEMS的嵌入式溫度傳感器無法解決復(fù)雜環(huán)境中溫度信號內(nèi)不穩(wěn)定部分的不利干擾，存在穩(wěn)定性差和測量精度低的問題。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的溫度傳感器硬件部分中的溫度傳感器電路轉(zhuǎn)換時，將AD590傳感器輸出的與溫度成正比的電流轉(zhuǎn)化為電壓，將TLC2252作為雙運(yùn)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(wěn)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(jìn)行驅(qū)動，通過非線性自校模型采用軟件算法準(zhǔn)確調(diào)整電路中的非線性誤差，調(diào)整后的結(jié)果即為溫度傳感器測得的溫度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)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(wěn)定性較高。

關(guān)鍵詞： S3C2410; 嵌入式設(shè)計(jì); 溫度傳感器; 雙運(yùn)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(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，社會科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ顚Ω鞣N工業(yè)產(chǎn)品的要求也越來越高，溫度傳感器與人們生活密切相關(guān)，除了大型的工業(yè)設(shè)備中需要其進(jìn)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(yīng)用，如熱水器、空調(diào)、汽車等數(shù)碼產(chǎn)品中都應(yīng)用了溫度傳感器，嵌入式的溫度傳感器的產(chǎn)生減少了溫度傳感器的體積，方便進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)[1]。因此，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的嵌入式溫度傳感器，提高溫度信號測量精度以及穩(wěn)定性，具有重要的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)基于諧振式MEMS的嵌入式溫度傳感器，無法解決復(fù)雜環(huán)境中溫度信號中不穩(wěn)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(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)控，存在穩(wěn)定性差和測量精度低的問題。為了解決該問題，本文設(shè)計(jì)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(wěn)定性。

1 ?基于S3C2410的嵌入式溫度傳感器設(shè)計(jì)

1.1 ?S3C2410基本介紹和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(chǎn)的32位RISC處理器，該處理器特點(diǎn)包括：16 kB指令Cache、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲器管理單元MMU以及16 kB數(shù)據(jù)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(kuò)展成8組，每組內(nèi)存容量達(dá)到128 MB，并支持從NAND FLASH存儲器的啟動[2]。2個USB主機(jī)總線接口和1個USB設(shè)備總線端口;兼容MMCSD卡接口等。S3C2410結(jié)構(gòu)主要由ARM920T內(nèi)核及其片內(nèi)外設(shè)構(gòu)成，ARM9的內(nèi)核ARM9TDMI、32 kB的Cache以及MMU共同構(gòu)成ARM920T的內(nèi)核;ARM920T片內(nèi)外設(shè)分為高速外設(shè)和低速外設(shè)兩部分，用AHB總線和APB總線表示[2]。

1.2 ?溫度傳感器硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲模塊以及通信模塊共同構(gòu)成，圖1為本文設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

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(diǎn)。本文利用AD590傳感器進(jìn)行溫度采集及電路轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)計(jì)，可將AD590傳感器輸出的與溫度成正比的電流轉(zhuǎn)化為電壓，詳細(xì)的轉(zhuǎn)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(jié)果的準(zhǔn)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(yīng)較多的電子器件時易出現(xiàn)電源攜帶雜波現(xiàn)象，采用齊納二極管來穩(wěn)定電壓，根據(jù)可變電阻分壓將輸出電壓結(jié)果修正為2.73。

1.2.2 ?電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

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(qū)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(jīng)由A/D芯片接入電路的電壓需要進(jìn)行調(diào)整，該輸入電壓的調(diào)整過程就是電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。

利用TLC2252作為雙運(yùn)放放大電路，設(shè)計(jì)嵌入式溫度傳感器運(yùn)放模塊。利用雙運(yùn)放放大電路中的雙運(yùn)放差動[4]，在對電路放大效果、性能和結(jié)構(gòu)等方面都好于單運(yùn)放前置放大電路，采用雙運(yùn)放放大電路可用于反饋電阻的擴(kuò)展，降低電阻產(chǎn)生的熱噪聲電流，干擾溫度傳感器的正常運(yùn)行。電壓轉(zhuǎn)換電路輸入端的設(shè)計(jì)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(wěn)定部分通過差值進(jìn)行抵減[5]，使溫度傳感器整體穩(wěn)定性得以提高。雙運(yùn)放電壓轉(zhuǎn)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(zhǔn)電壓或偏置輸入為[Vr]。

1.3 ?嵌入式溫度傳感器軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 ?軟件總體設(shè)計(jì)流程

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

軟件設(shè)計(jì)流程中各流程的主要工作任務(wù)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(tài)初始化[6]，如FPGA和STM32F405。

2） A/D程序轉(zhuǎn)換和非線性自校正：經(jīng)由ADG506模擬開關(guān)傳輸為模擬的數(shù)字信號，模擬的數(shù)字信號可被由FPGA控制的ADS8322進(jìn)行轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[7]。利用STM32F405的控制作用將測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性自校正模型擬合。

3） 在線標(biāo)校：將擬合后數(shù)據(jù)采用STM32F405處理器進(jìn)行控制，按照在線標(biāo)校模型實(shí)施在線標(biāo)校。

4） RS 422總線輸出：即輸出在線標(biāo)校后的溫度數(shù)據(jù)值。

1.3.2 ?RS 422串行接口控制設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)過程中，RS 422串行接口控制設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)木幋a方式對RS 422接口進(jìn)行驅(qū)動，依照相關(guān)的規(guī)定實(shí)現(xiàn)RS 422通信單元與接收裝置間的數(shù)據(jù)通信[8]。圖4為RS 422軟件功能結(jié)構(gòu)圖。

從圖4可以看出，RS 422軟件功能結(jié)構(gòu)圖包括接收器、解碼器、發(fā)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(diào)整算法采用最小二乘法與牛頓迭代法相結(jié)合的算法，若對電路全程實(shí)施擬合，會對部分溫度段內(nèi)的測量結(jié)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(xiàng)式擬合公式進(jìn)行電路的分段擬合。

依照規(guī)定，選擇符合要求的溫度精度，比較兩次迭代過程結(jié)果是否符合溫度要求，若符合要求則結(jié)束運(yùn)算，得校正后的數(shù)值為溫度傳感器測得溫度結(jié)果。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)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(yè)制造企業(yè)為實(shí)驗(yàn)背景，對某種類型生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行過程中的發(fā)熱情況進(jìn)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(jìn)行溫度檢測，將測得結(jié)果與生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際溫度進(jìn)行對比分析，三種溫度傳感器檢測的溫度值同實(shí)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(jié)果與實(shí)際溫度在不同溫度下的相似精度較高，均達(dá)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(qiáng);基于諧振式MEMS的嵌入式溫度傳感器對溫度的檢測結(jié)果與實(shí)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(shí)際溫度差別最大。綜上，說明本文溫度傳感器在實(shí)際應(yīng)用中對溫度的靈敏度較高，對溫度的檢測效果明顯。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)的基于S3C2410的嵌入式溫度傳感器，可以在不同的環(huán)境溫度下對溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，縮短溫度檢測時間，提高溫度傳感器的實(shí)際應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁永恩，萬世明.基于S3C2440的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（15）：84?86.

LIANG Yongen， WAN Shiming. Design of S3C2440?based temperature detection system [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（15）： 84?86.

[2] 鄧俊，劉清惓，龔定祺，等.用于氣象探測的低輻射誤差溫度傳感器設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（16）：72?76.

DENG Jun， ?LIU Qingquan， ?GONG Dingqi， et al. Design of low radiation error temperature sensor for meteorological observation [J]. Science technology and engineering， 2015， 15（16）： 72?76.

[3] 司禹，馮鵬，于雙銘，等.基于RFID溫度標(biāo)簽的嵌入式溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（7）：57?59.

SI Yu， FENG Peng， YU Shuangming， et al. Embedded temperature monitoring system based on RFID temperature tag [J]. Application of electronic technique， 2016， 42（7）： 57?59.

[4] 宋麗華，戰(zhàn)穎，簡陽，等.基于S3C6410的嵌入式系統(tǒng)休眠與喚醒策略設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2014，36（5）：790?796.

SONG Lihua， ZHAN Ying， JIAN Yang， et al. Design and implementation of system sleep and wake?up for embedded system based on S3C6410 [J]. Computer engineering & science， 2014， 36（5）： 790?796.

[5] 周悅，劉清惓，楊杰，等.一種陣列式探空溫度傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2016，29（8）：1297?1304.

ZHOU Yue， ?LIU Qingquan， YANG Jie， et al. Design of an array?based sounding temperature sensor [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2016， 29（8）： 1297?1304.

[6] 劉寧樅，張榮，陸鋒.基于S3C6410的模塊化傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2014，38（13）：66?69.

LIU Ningzong， ZHANG Rong， ?LU Feng. Design of modular sensor network gateway based on S3C6410 [J]. Video engineering， 2014， 38（13）： 66?69.

[7] 李強(qiáng)，周玉國.35 kV高壓配電柜柜內(nèi)溫度異常報警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電測與儀表，2015，52（1）：86?90.

LI Qiang， ZHOU Yuguo. Design of abnormal temperature alarm system for 35kV high voltage power distribution cabinet [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2015， 52（1）： 86?90.

[8] 張馨，郭瑞，李文龍，等.可裝配式土壤溫度傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（z1）：205?211.

ZHANG Xin， ?GUO Rui， ?LI Wenlong， et al. Design and experiment of assembled soil temperature sensor [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015， 31（S1）： 205?211.

[9] 吳展翔，劉文，盧小榮.聲表面波溫度傳感器的仿真與設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2014，36（1）：8?11.

WU Zhanxiang， ?LIU Wen， ?LU Xiaorong. Simulation and design of SAW temperature sensor [J]. Piezoelectrics & acoustooptics， 2014， 36（1）： 8?11.

[10] 任燕，王錫芳，郭瑞寶.基于RS 232接口的溫度傳感器自動檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].氣象科技，2014，42（3）：409?412.

REN Yan， WANG Xifang， GUO Ruibao. Design of automatic verification system for temperature sensors based on RS 232 interface [J]. Meteorological science and technology， 2014， 42（3）： 409?412.