基于LPC11C22微控制器的温度检测节点设计

唐卫群

( 无锡机电高等职业技术学校 机电工程系，江苏 无锡 214000)

0 引言

温度测量仪表是测量物体冷热程度的工业自动化仪表。它的功能之一是应用于气象观测、环境研究、实验室以及其他各种生产过程。在特定条件下的产品制造与工业质量保持稳定方面，一款性价比高的测温现场仪表将发挥重要的作用。基于以上需求，本文研究开发了一款测温节点设备，其采用ARM CortexTM-M0 处理器作为控制核心实现温度的检测、数据处理分析,并进行数据远传操作。Cortex M0最大的优势在于能效，其运算能力可以达到0.9 DMIPS/MHz，但功耗却仅有80uW/MHz。这源于所谓的“超低功耗深度睡眠架构”。由于采用了ARM 180ULL库和PMK，相比传统8/16位MCU拥有更低的静态功耗。

1 温度测量原理

热电阻是中低温区常用的一种测温元件。热电阻利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度。热电阻的受热部分(感温元件)是用细金属丝均匀的缠绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。热电阻的结构特点： 热电阻通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中-200℃～+600℃范围内的液体、蒸汽和气体介质及固体表面的温度[1]。对于精度要求不是很高的场合，可以用如下公式拟合温度和电阻的关系：

RTD(T) ≈ RTD0(1 + T × α)

(1)

其中，RTD是热电阻,RTD(T)为在温度T时的RTD电阻值(Ω)；RTD0为在0°C时RTD的电阻值(Ω)；T为温度值，(°C)；α是常数，0.00385Ω/°C。

目前热电阻的引线主要有三种方式：

1)二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

2)三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的方式。

3)四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

本文热电阻的引线采用三线制接法。

2 硬件设计

2.1 MCU介绍

恩智浦半导体NXP Semiconductors推出的业界首款内嵌易用型片上CANopen驱动，集成高速CAN物理层收发器的微控制器LPC11C22和LPC11C24。片上CAN和CANopen驱动为设计工程师提供了支持CANopen协议的易于使用的API命令。这可以将LPC11Cxx系列微控制器快速整合到CAN网络中，极大地简化了即插即用的整合过程。此外，这些驱动被写入低功耗ROM，释放8KB的用户代码空间。这样的设计具有双重优势：既减少了工作能耗，又可以使通过CAN或其他片上串行通道的负载安全和可靠。Flash的更新可以通过CAN总线在系统编程(ISP)[2]。本文采用芯片为LPC11C22。

2.2 热电阻检测电路

热电阻检测电路如图1所示，LM2920D运放的A部分和B部分构成一个恒流源给PT100供电，D部分运放的作用是PT100补偿引线误差，C部分运放构成一个Sallen Key 放大滤波器。

2.3 主控制电路

主电路采用LQFP48封装LPC11C22，采用74HC595串行数据转并行驱动4位数码管动态显示。MCU采用SWD下载程序。

图1 热电阻检测电路功能框图

图2 主控电路功能框图

3 软件设计

3.1 软件流程图设计

在系统启动后，检测温度信号，当转换信号完毕开始显示现场温度，并呼叫主机判断接受数据包信息，根据主机需求传递系统检测数据。

图3 软件流程图

3.2 CANopen 协议

CANopen是基于CAN总线的应用层协议，在开放的现场总线标准中CANopen是最著名和成功的一种,已经在欧洲和美国获得广泛的认可和大量应用。本文应用此通讯协议完全满足工业现场的需求。[3]调用Can API程序如下。

typedef struct _CAND {

void (*init_can) (uint32_t * can_cfg);// CAN初始化

void (*isr) (void);//CAN中断处理

void (*config_rxmsgobj) (CAN_MSG_OBJ * msg_obj);//CAN接受信息目标配置

uint8_t (*can_receive) (CAN_MSG_OBJ * msg_obj);//CAN接受

void (*can_transmit) (CAN_MSG_OBJ * msg_obj);//CAN发送

void (*config_canopen) (CAN_CANOPENCFG * canopen_cfg); //Canopen 配置

void (*canopen_handler) (void);//canopen处理

void (*config_calb) (CAN_CALLBACKS * callback_cfg);//can回收信号

} CAND;

通过调用此结构里的函数库，可以方便地进行数据收发，满足温度数据采集打包的要求。

3.3 开发仿真环境

IAR最著名的产品是C编译器-IAR Embedded Workbench, 它支持众多知名半导体公司的微处理器。许多全球著名的公司都在使用IAR提供的开发工具。本文采用IAR Embedded workbench for ARM 6.30进行程序编写和仿真调试。

4 结语

多年来CAN普遍被业界视为高效实时通信的最佳选择，但是对于低成本嵌入式应用，价格始终是制约因素。根据本方案设计出的温度智能节点性价比高，能够实现系统稳定可靠工作，为高性能嵌入式设计带来了全新低成本突破口和完整的CAN解决方案，达到了减少产品开发风险，降低系统总成本和缩短产品上市周期的目的。

[参考文献]

[1] 郁有文,常健.传感器原理及工程应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,2003：222-233.

[2] 周怡君,毛玉良.基于CANopen协议的印染车间分布式控制系统[J].计算机测量与控制,2010(12)：2780-2781.

[3] 张捍东,徐龙,岑豫皖.CANopen协议及在ARM控制多电机驱动器系统中的应用与设计[J].自动化与仪器仪表,2011(2):41-43.