一款高精度的单芯片温度测量参考方案——ADI EVAL-ADuCM360QSPZ开发套件评测
发布时间:2015-02-02
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一款高精度的单芯片温度测量参考方案——ADI EVAL-ADuCM360QSPZ开发套件评测
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你是否有过带小孩去医院看病的经历?相信除了打针、挂水,量体温也是小孩非常闹腾、不愿配合的一件事,尤其是使用水银体温计测量的,不仅效率低、测量麻烦,还有一定的危险性,(当然,水银温度计也不是一无是处,至少测量精准)不过,随着各类电子测温设备的快速发展,比如电子耳温枪,红外电子体温计等,电子温度计的可靠性得到了进一步的提高,测量也比较准确,国内的一些大型综合性医院已经开始尝试使用电子温度计来替代传统的水银温度计进行初步的体温测量,无独有偶,这些操作方便快捷,界面显示直观的电子体温计也成为了大部分家庭的首选,作为必备的“家庭卫士”之一。

那么,如此受欢迎的电子温度计我们是否能自己DIY一个呢?答案当然是肯定的,比如说爱板网手上拿到的这套ADI EVAL-ADuCM360QSPZ开发套件,本身就是一个很好的电子温度测量参考开发方案,评估板基于ADI的单芯片数据采集微控制器ADuCM360ADuCM360数据手册

好吧,我们首先一起来认识下这个评估套件到底是什么样子的?

EVAL-ADuCM360QSPZ开发板

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盒内配件包括:

  • EVAL-ADuCM360MKZ评估板
  • J-LINK OB仿真器
  • USB线缆、资料光盘(包括IDE工具、开发板原理图、例程代码、上手指导文档等)

EVAL-ADuCM360QSPZ开发套件包装盒属于比较“朴素”的类型,就不多说啥了,不过让人比较惊喜加意外的是盒内的配件,果真是“物不可貌相”。

首先是评估板EVAL-ADuCM360MKZ,如下图(左)所示,谁能想到板卡大小仅有62mm*21.6mm,实在太过小巧了,比较让人意外,初步观察,整个板卡基本上就是以ADuCM360微控制器为原型的一个“最小系统板”。

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另外,值得惊喜的是开发套件除了评估板、光盘资料等外,竟然还包含了一个J-LINK OB仿真器,这下不仅可让工程师省了额外购买仿真器的开销,还能进行快速的产品开发,看来ADI对于自身产品开发体验考虑的还是非常周到的。

ADuCM360模拟微控制器

正如上文所述,EVAL-ADuCM360MKZ评估板主要是以ADuCM360微控制器设计的一个简单开发平台,我们何不妨从主控制器入手,来了解板卡的功能,如下图所示

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ADuCM360MKZ评估板搭载的微控制器具体型号为ADuCM360BCPZ128ADuCM360BCPZ128数据手册,采用了48引脚 LFCSP封装,大小为7mm*7mm,其主要的特性如下:

  • 基于32位ARM Cortex-M3处理器,集成128KB FLASH/EE,8KB SRAM
  • 集成1个片内32 kHz振荡器和1个内部16 MHz高频振荡器
  • 集成两个24位ADC(ADC0和ADC1),转换速率为3.5Hz~3.906KHz,50 Hz/60 Hz同步噪声抑制
  • 两个ADC均采用灵活的输入多路复用,可实现6路差分或11路单端输入通道
  • 4路内部通道,用于监控DAC、温度传感器、IOVDD/4和AVDD/4(仅ADC1)
  • 可编程增益(1至128)
  • 均方根(RMS)噪声:52 nV(3.75 Hz时),200 nV(50 Hz时)
  • 可编程传感器激励电流源
  • 片内1.2V精密基准电压源
  • 一个12位的DAC转换器,NPN模式可用于4 mA至20 mA电流环路应用
  • UART、I2C和2 × SPI串行I/O、16位PWM控制器、19引脚多功能GPIO端口
  • 2个通用定时器、唤醒定时器/看门狗定时器、多通道DMA和中断控制器
  • 具有多种低功耗工作模式,休眠功耗仅为4uA
  • 工作电压范围:1.8 V至3.6 V;额定工作温度范围:−40°C至+125°C

抛开参数,ADuCM360作为一款主打AD转换功能的模拟微控制器,主要可以分为两个部分:一部分是以两个ADC单元为主的数据采集转换模拟部分(不局限ADC功能,比如同样带有DAC功能),另一部分则是以ARM Cortex-M3处理器为主,包含了FLASH、SRAM等一些常用外设资源构成的控制单元部分,如下图所示(下一页

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  • 模拟部分

众所周知,数据处理转换一向是ADI公司的强项,我们也看到在这颗主打模数转换功能的ADuCM360微控制器上集成了两个24位的高精度 Δ-Σ ADC,采样率为3.9ksps,如果再细看这个微控制器内部结构(如下图),你就能发现这两个ADC均连接到一个灵活的输入多路复用器,使这两个ADC既可在全差分配置模式下、又可在单端模式下工作,应用相当的灵活,不受局限。

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再来看这两个ADC内部的构造(如上图红圈所示),包含两个并联的滤波器:一个SINC3或SINC4滤波器与SINC2滤波器并联,采用这种设计结构有什么好处呢?

那还是要从这几个滤波器本身的作用说起,我们可以根据不同的应用需求采取不同的配置,如:

  • SINC3或SINC4滤波器用于精密测量
  • SINC2滤波器用于快速测量和输入信号的阶跃变化检测

除了主要的ADC功能,模拟部分还包括了一个1.2V的基准电压源,一个单通道带缓冲的电压输出DAC等,这里就不过多介绍了,具体内容可以参考ADI官网的芯片规格书。

  • 控制部分

这时,我们再来看ADuCM360微控制器的控制方面,这部分内容就相对比较通熟易懂,ADI选用了生态圈广泛的ARM Cortex-M3处理器作为主控,在微控制器领域摸爬滚打多年的工程师都或多或少了解,M3是ARM公司推出的最早M系列处理内核,功耗低、稳定可靠,一直延用多年,(苹果手机的协处理器同样是基于这颗处理器)性能介于M0与M4之间,与我们熟知的Cortex-M4处理器相比,可以看作是少了DSP指令集以及FPU单元的支持,可以说,ADI选用ARM的这块Cortex-M3处理器是综合了适用性、功耗、性能等因素综合考量的结果。

ADuCM360微控制器定位

在我们初步了解了整个ADuCM360微控制器的特点后,那么问题来了,为什么文章一开始就定位ADI的这颗微控制器会适用于温度测量领域呢?具体又是哪方面的测量呢?

相信不少人都带着这样的疑问,在回答这个问题之前,我们先来看下爱板网之前评测过的一些ADC类产品或者开发板,看看我们是否能从这些产品上有所启发?(主要探讨ADC功能)

这里罗列的产品主要有TI ADS1118评估板(基于Ti ADS1118)、OMEGA品牌数字温度计(基于富晶FS98O22)、威视锐智能测试仪WaveXpert (基于Ti ADS4225),这几个产品正好是以往爱板网评测或者拆解过的

根据上面这几个产品不用应用我们可以简单的分为两类:一类是温度测量方面应用,另一类是以威视锐为代表的示波器应用,我们可以比较下它们各自ADC功能的最基本参数,分辨率以及采样率,如下所示

通过表格中我们可以看到,ADuCM360具有最高的分辨率,而作为示波器应用的ADS4225ADS4225数据手册则具有最高的采样率。从应用的结果我们可以简单的总结这几点:

  • 示波器是高速系统,应对不同信号采集,因而采用采样率较高的ADC芯片适宜
  • 温度测量系统通常是低速的,因此窄带ADC比较适合(不浪费资源),但是,要求ADC必须具有高分辨率

当然,在实际的产品应用中,ADC的选型除了这两个基本的参数,无失码分辨率、噪声等都是重要的考量指标,这里不再一一说明。

从以上的结论中我们也能发现,像文章中一开始介绍的电子温度计不过是最基本的温度测量方案,只要是目前有集成ADC功能的微控制器基本都能够胜任。而像ADI ADuCM360微控制器集成的24位高精度ΣΔ ADC是属于面向更高端的仪器级温度测量领域(当然不局限于温度测量),如果真仅仅作为普通的电子温度计,确实有些“杀鸡用牛刀”的赶脚。那么,此时我们再回顾头来看EVAL-ADuCM360MKZ评估板定位是否会更加清晰呢!

EVAL-ADuCM360MKZ评估板

虽然文章开头我们简单的说了下评估板就好比是基于ADI ADuCM360微控制器的“最小系统”,但实际评估板还真就是一个完整的温度测量参考方案,不可思议吧?

先来看看评估板的具体有些啥资源,如下图所示

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ADuCM360MKZ评估板是通过外部的5V电压供电,板卡通过一个ADI的5V转3.3V的低压差线性稳压器提供给主微控制器供电,板载一个PT100PT100数据手册 RTD(电阻温度探测器)测温电路,事实上,板载的功能并不多。

PT100是一种铂热电阻温度传感器的标准,0摄氏度时,PT100的阻值是100欧姆,温度升高时,PT100的阻值会增加,具体的温度-电阻关系可以参考相应的分度表。

但是,评估板同样引出了微控制器IO口的扩展接口,我们可以根据实际的需求来搭建更完善的温度测量方案,比如加上K型热电偶,又比如说加入蓝牙模块或者WIFI模块组建一个高精度的智能温度测量仪方案,在市面上我们也能看到许多类似的方案(当然可能没这么高的精度ADC),如糖果智能温度计、奶嘴温度计等等,原理基本相同,只不过是应用在更细分化的市场。

下图则是以ADuCM360MKZ评估板为原型的一个简易的高精度USB热电偶测量系统:(下一页

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开发调试

说到开发,大家都不陌生。不过,ADI似乎将开发变得更为简单。

  • 准备工作

打开ADI EVAL-ADuCM360QSPZ开发套件提供的配套光盘(光盘中的资料也可以在ADI官方FTP<需要FTP下载工具支持>上获得,用户可以自由下载),可以看到相应的IDE工具以及J-LINK驱动程序(如下图所示)

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选择光盘中的ADuCMxxxV1.3.exe执行文件安装后,就能得到ADI提供的所有板卡、芯片资料,上手使用指导、代码例程等资源,是不是比自己去网上搜索下载来的方便、实际,即使初次接触开发板的朋友也能很快的上手操作。

  • 硬件调试工具

ADI提供了配套的硬件开发工具J-LINK OB,支持非介入式的串行调试,同时也支持一个UART通信接口(如下图所示)

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J-LINK OB的接口是采用与EVAL-ADuCM360MKZ评估板配套的8PIN接口设计,而且还在信号线上做了跳帽选择的设计,方便工程师实际开发时候的针对性调试(其定义如下图所示),从官方资料介绍来看,J-LINK OB可以完全用于代替之前的J-LINK-Lite调试器。

当然,ADuCM360的调试,不局限于J-LINK OB,业界通用的调试工具都可以,除了给目标板的供电电压与GND信号外,数据信号与时钟信号在标准的JTAG和SWD管脚之间的对应关系如下图所示:

  • 集成IDE工具&丰富例程&Elves

ADI ADuCM360微控制器采用Cortex-M3内核的最大好处莫过于是广泛的生态圈支持了,所以目前的第三方IDE工具IAR、KEIL都可以使用(光盘中我们也能看到现成的安装程序,这里就不多做介绍了),而且ADI也提供了这两种IDE版本相当丰富的代码例程(如下图)

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不过这里倒想给大家说说另一款ADI的辅助开发工具——Elves(在ADI的光盘中(支持FTP下载工具下载)有提供,还有另一款串口下载工具CM3WSD就不多做介绍了)。(下一页

如果你想评估一款开发板或微控制器的外设功能,你该怎么做呢?首先你肯定先要编写一段相应的代码,而Elves就是一个生成简单C函数库的工具,工程师需要做的只是为每个功能选择相应的参数,Elves就会生成已经配置完微控制器寄存器的相应C语言源码,听起来是不是很玄乎?

我们实际演示看看,以KEIL IDE工具、UART功能输出为例,原先的代码例程选择RTD_Demo。

打开Elves程序,显示界面如下图所示,具体操作步骤:

①选择Add添加UrtLib.h

②选择想要生成的功能

③设置具体的参数

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④然后选择Copy,粘贴到原先RTD_Demo例程中的UART输出功能函数代码一对比(如下图所示),一目了然,Elves输出的代码确实是OK的

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是不是很方便,Elves的最终目的就是缩短工程师的设计周期。如果觉得会经常需要用到,还可以将Elves添加到现有的第三方IDE的快捷工具栏中(如下所示的KEIL工具,选择Tools->Customize Tools Menu 选项,然后设置路径即可),想用的时候呼出即可

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  • 上电启动&下载&运行例程

上电前基本的准备工作完成后,我们可以进行正式的对板卡进行下载调试了,还是以RTD_Demo例程为例,编译完成后可以进入Keil的下载调试环境设置进行仿真器的选择,调试方式设置等操作,具体步骤如下图所示

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因为使用的是串行下载调试,所以在Port中选择SW,同样,可以设置SW的时钟等操作

设置完成就可以进行下载调试操作了,在调试界面可以设置断点、单步调试等操作,如下图所示

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下图则是下载完程序后板卡的运行状态,我们可以通过串口工具看到EVAL-ADuCM360MKZ评估板的串口打印输出

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RTD_Demo例程是使用ADC1功能测量RTD电阻温度探测器上的电压,从而算出此刻RTD的电阻值,再根据电阻值得变化得到相应的温度(具体的温度-电阻关系可以参考PT100的分度表,此处板卡采用的RTD温度变化率为0.385 /°C),从上图输出的结果来看,此时的温度为23℃左右。

小结

本文介绍了ADI EVAL-ADuCM360QSPZ开发套件的基本功能、开发工具以及使用情况,评估板基于ADI ADuCM360BCPZ128ADuCM360BCPZ128数据手册微控制器,集成两个24位高精度ΣΔ ADC,ARM Cortex-M3处理器、128KB FLASH/EE等其它外设资源,确切的说,评估板更像是一款已经设计好轮廓的温度测量方案,我们可以根据自己的需求进行DIY,比如加个K型热电偶、加个蓝牙模块或者Wifi模块,使之成为一个智能温度测量参考方案。

当然,工程师更可以基于ADuCM360BCPZ128微控制器原型做更有拓展性、开放性的设计,比如目前流行的智能硬件设备,空气检测方案等。总之,这颗整合了高精度的24位双核ADC以及ARM Cortex-M3内核的微控制器的应用空间还是非常广阔的,如工业自动化和过程控制、智能精密检测系统、4 mA至20 mA环路供电智能传感器系统、医疗设备、病人监护等领域。目前这套评估套件在爱板网有申请试用的活动(ADI官网售价119美刀),有兴趣的朋友一定不能够错过哦。

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参考资料

 原创申明:本文为爱板网原创,谢绝转载! 
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讨论 (4)

讨论区
学雷锋 ·  2015-02-10
wambob ·  2015-02-09
siccom ·  2015-02-04
只取一瓢 ·  2015-02-05

ADI的东西一项都贵,能免费申请试用还不错

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mido ·  2015-02-02