【应用】内置24.5MHz高精度时钟，最大误差仅2%，C8051F350单片机用于RTD变送器，可省去外部晶振

时间： 2018-09-27 来源：世强

技术问答

在生物医药行业，各种动植物细胞、病毒、细菌或特殊生物制品通常在深低温环境下保存，深低温环境通常低于-150℃，液氮环境甚至低至-196℃。在医药行业，用于临床治疗的生物制品的保存环境是要求监测和追溯的。在如此低的温度下，我们优先选用RTD铂电阻配套变送器实现深低温环境监测。一般的RTD变送器功耗较大、原理复杂、器件较多，导致成本和故障率相对较高。笔者基于SILICON LABS 的C8051F350单片机开发了一款RTD变送器，利用C8051F350模拟外设特点，使得方案简单可靠、功耗理想、成本低廉。

在这个项目中，传感器选用了TE Connectivity推出的GX系列铂电阻传感器，其测温范围为-200~1000℃，在0℃时电阻为100Ω，在全量程范围内都有很好的精度和稳定性。

变送器部分主要由C8051F350、SGM8545 运算放大器、ISL32485总线收发器和LITTELFUSE的总线防护芯片SM712组成。基本原理见图1所示。

图1 RTD变送器原理简图

主要原理为：由单片机内部两路IDAC为RTD传感器提供恒流源激励，两路IDAC配置输出电流均为0.25mA。按照图1原理，流经RTD的两条引线电流方向相同，此结构使得线路阻抗因素导致的电压降对于ADC输入为共模电压，实现抵消。两路IDAC的输出电流由RTD补偿引线引至精密电阻Rref形成采样电压，进而由低功耗精密运算放大器SGM8545放大，为C8051F350提供VREF参考电压。从原理图可以看出：

由于GPGA 、GOP和 RREF 均为固定参数，ADC值为RRTD的一次函数，测温的精度和漂移取决于ADC的误差和RREF的稳定性。C8051F350将ADC值采集后，经过线性计算得出RTD的阻值，再结合传感器厂家给出的特性表换算出对应的温度值。需要特别说明的是， C8051F350单片机的内部ADC为差分输入的24-BIT Δ-Σ ADC，共模抑制比高达110dB，且具有可变增益的PGA，可对RTD产生的小信号差分电压可直接放大和采集，兼顾了高分辨率、宽量程和抗工频干扰等诸多优点。且省去了外部ADC、前端调理运放和50Hz工频陷波器等复杂电路。

C8051F350内部高速时钟最大误差仅2%，完全可以支持UART通信，因此我们在方案中省去了外部晶振。单片机外接Intersil提供的ISL32485E RS-485收发器作为传感器通信接口。由于超低温冰箱一般为大功率设备，我们需对变送器的RS-485端口进行防护，最终方案是总线AB端串联PPTC保险，且并联Littelfuse的RS485总线专用TVS器件SM712实现总线保护。

总结C8051F350的特性如下：

· 具有高性能的24-BIT ΔΣ ADC，其ADC具有0.0015%的非线性度，共模抑制比高达110dB，内置可编程增益放大器（PGA），可支持差分输入，具有自校准和修正DAC，特别适合RTD传感器应用；

· 具有双路8-BIT电流型DAC，可方便的为电阻传感器提供高品质的恒流激励源；

· 内置24.5MHz的高精度时钟，最大误差仅2%，可直接支持UART操作；

· 内置温度传感器，可用于传感器变送器系统温度补偿；