使用一個GPIO數(shù)字接口測量溫度的簡單方法

Chau Tran and Naveed Naeem

隨著在專注于機器健康和其他物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 解決方案的現(xiàn)代應用中，對傳感功能的需求變得越來越普遍，對具有更少 I/O 和更小設備占用空間的更簡單接口的需求也在增加。連接到單個微處理器或FPGA的器件密度不斷增加，而應用空間（因此I/O引腳的數(shù)量）可能會受到限制。在理想情況下，所有應用都將有一個ASIC，提供小型集成解決方案。然而，ASIC開發(fā)既耗時又昂貴，并且無法靈活地重新用于其他用途。因此，越來越多的應用使用微處理器或小尺寸FPGA來及時、經(jīng)濟高效地完成產(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GPIO引腳的情況下提供準確的溫度結(jié)果。它還將演示如何使用電壓-頻率轉(zhuǎn)換器適應各種傳感應用。

賦予動機

一些傳感器測量，如溫度、濕度和氣壓，本質(zhì)上是直流的，變化速率不夠快，也不需要足夠精確的分辨率，以保證ADC和隨之而來的設計考慮因素。大多數(shù)ADC需要快速、精確的時鐘生成和定時、穩(wěn)定的基準電壓源、具有極低輸出阻抗的基準電壓緩沖器和模擬前端電路，以便在對傳感器輸出進行數(shù)字量化并供系統(tǒng)監(jiān)控之前對其進行正確信號調(diào)理。在檢測環(huán)境溫度的情況下，分立式應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。這種設計過度設計，需要更多的空間、功耗和計算周期，適用于可能只需要每 15 秒進行一次測量的應用。

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)量和復雜性，但仍能測量模擬電壓？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。通常，測量越準確，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：

在本電路中，采用單極性電源：–VS= 地 （0 V），即使環(huán)境溫度為負，也必須向AD8494的REF引腳施加失調(diào)電壓，以便將輸出電壓偏置到地電位以上。

溫度傳感器的輸出電壓，V外，定義為：

在 VCO 模式下，LTC6990 頻率輸出定義為：

由于AD8494的輸出電壓為V按對于LTC6990，公式1可替代V按在公式2中，并設置R設置= RVCO產(chǎn)生以下結(jié)果：

從這里，T氛圍現(xiàn)在可以解決。電壓單位抵消，得到公式5：

好的，我有一個頻率輸出。這有什么用？

頻率輸出的優(yōu)點在于，您可以使用單個GPIO引腳來獲得傳感器測量值。如果使用圖2中的同步計數(shù)器電路，則時鐘的上升沿將始終在其CLK_IN輸入端觀察到。如果 F外的 LTC6990 用作輸入時鐘，然后每次 F 上的上升沿時計數(shù)器都會遞增外檢測到，創(chuàng)建周期計數(shù)器。如果每次測量之間的時間間隔是恒定的，則可以計算給定時間間隔內(nèi)的周期數(shù)，并且可以通過使用浮點數(shù)學或查找表來確定頻率。通過將采集時間 T 除以收購通過計算的周期數(shù)，我們得到 F 的周期外.取此關(guān)系的反比得到等式6。

圖2.一個 4 位同步計數(shù)器，將 LTC6990 輸出作為其時鐘輸入。

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

圖3.示例驗證代碼。

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的溫度分辨率結(jié)果，但對于可以接受大約±2°C誤差的應用，這為測量溫度提供了一個廉價而簡單的接口。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。

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