【应用】自带LCD驱动的数模混合型SoC LH32M0S3用于高精度温度测量，有效节省电路器件

时间： 2022-12-05 来源：领慧立芯公众号

技术问答

温度是世界上最广泛测量的物理现象。温度传感器主要有热电偶、RTD、红外等。PT1000、热电偶、红外等作为工业领域广泛应用的测温元件，被大量应用于电厂、建材、煤化工、冶金、供热、工程机械热处理、煤质化验等测控领域。本文介绍了基于一款领慧立芯推出的数模混合型SoC LH32M0S3的高精度温度测量方案，相较传统的测温方案，其测量电路成本大大降低，而测量精度显著提高。

LH32M0S3简介

结构框图

功能特性

内核

32位ARM®Cortex®-M0 CPU

最高32MHz工作频率

存储器

最大128Kbytes FLASH存储器

4Kbytes SRAM

时钟模块

内部32MHz RC振荡器（HRC），典型情况下精度±1%

内部32kHz RC振荡器（LRC），典型情况下精度±10%

32.768kHz低速晶体振荡器（LXT）

工作环境

VDD电压：2.2~3.6V

VDDA 电压：2.2~3.6V

温度范围：-40~105℃

电源管理

低功耗模式：睡眠，深度睡眠和掉电模式

支持上电/掉电复位（POR/PDR）
支持低电压检测（LVD）

通用输入输出

35个I/O支持最高32MHz工作频率

支持中断向量

高精度模数转换器（Sigma-Delta ADC）

24bit高精度Sigma-Delta ADC

最大支持8个外部输入通道

支持单端、差分输入

1/2/4/8/16/32/64/128倍可选增益

积分非线性（INL）最大30ppm

ADC通道温漂 2ppm/℃

输出速率8Hz~8kHz：ENOB≥19.5bit@30sps，PGA=128；ENOB≥15.4 bit@8ksps，PGA=128

硬件自动切换ADC通道，自动轮询读ADC数据，中断通知MCU或DMA

自带参考电压，输出 1.8/2.35/2.45/2.8V可选

集成温度传感器/电源电压检测通道

数字比较器

快速响应的数字比较器

LCD Driver

集成4COM，20 SEG配置

集成charge pump

LED Driver

最大支持7x8段

一路蜂鸣器
2个定时器

4路16bit高级控制定时器（TIM1），带死区和互补控制的6通道PWM输出

4路16bit通用定时器（TIM2），带PWM输出

可编程恒流源

8mA，10mA，12mA，20mA

支持PWM控制

OLED彩屏DMA加速模块
串行单线调试（SWD）
封装

LQFP48（7mmx7mm）

SSOP24（8.2mmx5.3mm）

QFN48（6mmx6mm）

测量原理

热电偶

热电偶温度传感器即镍铬－镍硅热电偶温度传感器，其由两种不同材料的金属导体组成闭合回路，一端放在被测介质中感受温度变化，另一端为冷端放置在恒定的工作环境中，当两端温度不同时，在回路中产生一定方向和大小的电动势。传感器基本构造如下图所示。

上图中AI0和AI1为SoC的差分输入，ACM为SoC的基准输出可作为外部传感器的共模输入。当冷热两端温度不同时，传感器可在AI0和AI1上产生mV级信号，将此信号经过外部滤波电路后，送入SoC内部进行信号放大，然后进入24位高精度ADC系统结构内，其测量基准选用内部高精度基准，配置好ADC合适参数，即可完成温度范围所对应的电压值测量。而对于冷端补偿，可以使用SoC的内部硅温度传感器或者一款单总线数字温度传感器进行补偿。

红外传感器

热电堆红外温度传感器中的热电堆是一种温度测量元件，它一般由两个介面原件组成，分别为Thermopile和Thermistor组成，元件和元件结构示意图如下：

热电堆红外传感器接收目标物的红外辐射，产生电压信号(Thermopile 两端信号)，该电压信号跟目标温度Tobj 和环境温度Tamb 的关系如下：

V=K(F(Tobj)-F(Tamb))

其中K是校正常数；F为函数，跟传感器有关。

①经LH32M0S3内置PGA放大和高精度AD数模转换后测出Thermopile两端信号。

②LH32M0S3对NTC 的电阻阻值进行采集（Thermistor两端信号），通过查找温度-电阻表的方法将环境温度Tamb确定。

③通过计算或者查表得到目标物温度Tobj。

④得到目标温度后通过LH32M0S3驱动LCD显示实际温度，完成红外测温到显示温度的过程。其他设置温度高低阈值及报警等功能可根据需求增加。

RTD

RTD引出的三根导线截面积和长度均相同（即r1=r2=r3），如上图所示铂电阻作为电桥的一个桥臂，将一根导线（r1）接到电桥的地，其余两根（r2、r3）分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，引线电阻的变化对测量结果没有影响。

经LH32M0S3内置PGA放大和高精度AD数模转换后测出MCU_A+和MCU_A-之间差值，通过该差值计算出PT电阻值，然后根据PT电阻值计算出温度值，得到温度后通过LH32M0S3驱动LCD显示实际温度，完成测温到显示温度的过程。

方案介绍

下图介绍了基于SoC LH32M0S3实现RTD，热电偶，红外测温方案，该种测量方案利用AVDD来驱动三线制RTD或利用SoC内部高精度基准输出作为热电偶的负端参考，将所得到的数据送入内部24位高精度ADC进行计算分析，而后通过软件特有的算法对测量得到的值进行温度换算，最后利用内部LCD Driver驱动外部LCD作为温度的测量显示。

方案中用到的SoC集成度高，工业级可靠性，丰富的数字接口SPI，I2C，UART，内部自带LCD，LED驱动，24位高精度ADC（ENOB>=19.5bit@30sps，128增益），低温漂（2ppm/℃）可编程增益放大器，恒流源以及片上温度传感器等可以给各种应用提供丰富的可能性。

下图是demo板接PT1000和福禄克万用表同时测量水温示意图，从图中看出测出水温均为34.4℃。

测试9个温度点，绘制曲线如下图。

总结

以上温度测量方案中所用到的芯片属于内部自带LCD驱动，24位高精度ADC，低温漂可编程增益放大器的32位工业级MCU类的SoC产品，不仅从电路上解决了传统测温方案的缺陷，提高了测量精度，而且测量电路的元器件大大的减少，这也正是SoC产品相比较普通MCU加ADC芯片的优势所在。

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