使用一個(gè)GPIO數(shù)字接口測量溫度的簡單方法

隨著在專注于機(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，對傳感功能的需求變得越來越普遍，對具有更少 I/O 和更小設(shè)備占用空間的更簡單接口的需求也在增加。連接到單個(gè)微處理器或FPGA的設(shè)備密度正在持續(xù)增加。這是在應(yīng)用空間內(nèi)發(fā)生的，因此，I/O引腳的數(shù)量可能會受到限制。在理想情況下，所有應(yīng)用都將有一個(gè)ASIC，提供小型集成解決方案。然而，ASIC開發(fā)既耗時(shí)又昂貴，并且無法靈活地重新用于其他用途。因此，越來越多的應(yīng)用使用微處理器或小尺寸FPGA來及時(shí)、經(jīng)濟(jì)高效地完成產(chǎn)品開發(fā)。在本文中，我們將探討一種溫度頻率轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以在僅使用單個(gè)GPIO引腳的情況下提供準(zhǔn)確的溫度結(jié)果。它還將演示如何使用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器適應(yīng)各種傳感應(yīng)用。

動機(jī)

一些傳感器測量值（如溫度、濕度和氣壓）本質(zhì)上是直流的，并且變化速度不夠快。它們也不需要足夠精確的分辨率來保證ADC以及隨之而來的設(shè)計(jì)考慮因素。大多數(shù)ADC需要快速、精確的時(shí)鐘生成和定時(shí)、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源、具有極低輸出阻抗的基準(zhǔn)電壓緩沖器以及模擬前端電路，以便在對傳感器輸出進(jìn)行數(shù)字量化并供系統(tǒng)監(jiān)控之前對其進(jìn)行適當(dāng)信號調(diào)理。在檢測環(huán)境溫度的情況下，分立式應(yīng)用可能會在惠斯通電橋中使用熱敏電阻，然后由儀表放大器獲得其輸出，然后饋入ADC。這種設(shè)計(jì)過度設(shè)計(jì)，需要更多的空間、功耗和計(jì)算周期，適用于可能只需要每 15 秒進(jìn)行一次測量的應(yīng)用。

可以使用哪種替代測量解決方案來減少與ADC信號鏈相關(guān)的元件數(shù)量和復(fù)雜性，同時(shí)仍測量模擬電壓？解決方案是配置在壓控振蕩器 （VCO） 模式下的電壓-頻率轉(zhuǎn)換器（例如LTC6990）可用于測量模擬電壓，而無需 ADC。在本例中，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，從而形成溫度-頻率轉(zhuǎn)換器信號鏈。

（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)備都需要車載溫度監(jiān)控系統(tǒng)。將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號或數(shù)字信號的方法已有據(jù)可查。但是，如果測量解決方案需要ADC，則存在與成本、精度和速度相關(guān)的缺點(diǎn)。通常，測量越準(zhǔn)確，解決方案就越昂貴。該電路提供了一種低成本、多功能且易于接口的解決方案，其精度可根據(jù)溫度測量系統(tǒng)的需求而變化。

AD8494是一款精密熱電偶放大器，但也可通過將其輸入短路至地來用作環(huán)境溫度傳感器。然后將輸出定義為：

好的，我有一個(gè)頻率輸出。這有什么用？

頻率輸出的優(yōu)點(diǎn)在于，您可以使用單個(gè)GPIO引腳來獲得傳感器測量值。如果使用圖3中的同步計(jì)數(shù)器電路，則時(shí)鐘的上升沿將始終在其CLK_IN輸入端觀察到。如果將 LTC6990 的 FOUT 用作輸入時(shí)鐘，則每次檢測到 FOUT 上的上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)器都會遞增，從而形成一個(gè)周期計(jì)數(shù)器。如果每次測量之間的時(shí)間間隔是恒定的，則可以計(jì)算給定時(shí)間間隔內(nèi)的周期數(shù)，并且可以通過使用浮點(diǎn)數(shù)學(xué)或查找表來確定頻率。通過將采集時(shí)間除以計(jì)數(shù)的周期數(shù)，我們得到 FOUT 的周期。取此關(guān)系的反比得到等式6。

示例 Verilog 代碼顯示了一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)可用于通過在 FPGA 上使用單個(gè) GPIO 輸入來計(jì)算周期數(shù)。采集周期越長，測量就越準(zhǔn)確。對于以下代碼，使用 16 位計(jì)數(shù)器來提供其他分辨率。這還假設(shè)控制測量采集時(shí)間的邏輯在架構(gòu)中的更高級別執(zhí)行。

（圖3.示例驗(yàn)證代碼。

（圖4.溫度-頻率轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)。

結(jié)論

在本應(yīng)用中，討論了一種新型的溫度頻率轉(zhuǎn)換器。它提供了一種準(zhǔn)確、低成本的溫度測量方法。如果溫度超過–40°C至+125°C的工業(yè)范圍，則可以在傳感器的輸入端安裝熱電偶。作為結(jié)論，下圖顯示了測量系統(tǒng)的誤差。它展示了環(huán)境溫度與輸出頻率之間的線性關(guān)系以及系統(tǒng)的精度。雖然該解決方案可能無法提供非常精細(xì)的溫度分辨率結(jié)果，但對于可以接受大約±2°C誤差的應(yīng)用，這為測量溫度提供了一個(gè)廉價(jià)而簡單的接口。此外，使用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器的概念可以調(diào)整為測量其他類型的傳感器輸出，而無需ADC。

（圖5.溫度誤差。

審核編輯：郭婷