1 總體結(jié)構(gòu)

以MSC1210Y5為核心，利用其內(nèi)部集成的溫度傳感器和高精度模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，基于過(guò)采樣和求均值的技術(shù)，外加液晶顯示器和電源等部件，設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)單實(shí)用的便攜式高精度電子溫度計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該電子溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，只需按下電源開關(guān)，當(dāng)前溫度就會(huì)顯示在液晶顯示器上。溫度數(shù)據(jù)每隔一定時(shí)間更新一次。

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 微處理器MSCl210Y5

MSC1210Y5是美國(guó)德州儀器公司（Texas Instru—ments）推出的集成數(shù)字／模擬混合信號(hào)的高性能芯片。芯片集成了大量的模擬和數(shù)字外圍模塊，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)要求體積小、集成度高、運(yùn)算速度快和精確測(cè)量的產(chǎn)品是理想的選擇。該芯片可廣泛用于智能傳感器、智能變送器、工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)、高精度測(cè)重裝置、液／氣色譜分析、便攜式儀器等領(lǐng)域。

MSC1210Y5具有很高的模擬和數(shù)字集成度。它內(nèi)部集成了一個(gè)24位的∑一△模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、8通道多路開關(guān)、模擬輸入通道測(cè)試電流源、輸入緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、溫度傳感器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源、8位微控制器、程序／數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)RAM等。

MSC1210Y5內(nèi)部集成的溫度傳感器，可以用來(lái)測(cè)量溫度。它的溫度測(cè)量原理基于公式：

temp=αxVolts-282.14 （1）

利用公式（1）可以把電壓轉(zhuǎn)換為攝氏溫度。Volts為ADC測(cè)得的電壓，α為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的系數(shù)，等于2 664．7。

MSC1210Y5內(nèi)部集成的24位分辨率的∑一△模／數(shù)轉(zhuǎn)換器部分由模擬多路開關(guān)（MUX）、可選擇緩沖器（BUF）、可編程增益放大器（PGA）、基準(zhǔn)電壓源、二階∑一△調(diào)制器和數(shù)字濾波器等組成。用戶通過(guò)控制相應(yīng)的特殊功能寄存器位就可以控制模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的所有功能，也可以根據(jù)需要將其關(guān)閉以降低功耗。

在高精度的測(cè)量中，往往對(duì)分辨率的要求比較高（16位以上），而傳統(tǒng)的Nyquist型ADC（如積分型、逐次比較型、閃爍型等）將面臨一系列嚴(yán)重的問(wèn)題，例如需要復(fù)雜的高階模擬混疊濾波器、定時(shí)及幅度誤差都極小的采樣保持電路等，實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難極大，成本很高。而近年來(lái)興起的∑一△型A／D轉(zhuǎn)換器卻能以較低的成本獲得極高的分辨率（16位以上）；同時(shí)，由于∑一△型ADC主要使用了數(shù)字技術(shù)，除具有數(shù)字系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)以外，還具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn)。另外，由于∑一△型ADC采用了過(guò)采樣技術(shù)，不需要抗混疊濾波器，有的還可以直接接收來(lái)自傳感器的微弱信號(hào)，從而節(jié)省了信號(hào)放大和調(diào)整電路。正是由于∑一△型ADC具有這么多優(yōu)點(diǎn)，因此它在高精度測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。

∑一△型ADC由兩部分構(gòu)成：第一部分為模擬∑一△調(diào)制器，它是∑一△型A／D轉(zhuǎn)換器的核心；第二部分為數(shù)字抽取濾波器。圖2給出了∑一△型ADC的組成框圖。

圖3為∑一△調(diào)制器簡(jiǎn)化原理框圖。MSC1210Y5的調(diào)制器是一個(gè)單回路二階調(diào)制器。調(diào)制器的時(shí)鐘頻率（即模擬信號(hào)采樣頻率）fMOD是從晶振頻率中分頻得到的。其分頻倍數(shù)可以通過(guò)模擬時(shí)鐘寄存器（ACLK）的FREQ4～O設(shè)置，計(jì)算公式如下：

fMOD=［晶振頻率/（FREQ+1）］/64

這樣當(dāng)晶振頻率為11．059 2 MHz時(shí)，如果FREQ=8，那么模擬信號(hào)采樣頻率為19 200 Hz。

數(shù)據(jù)輸出速率可由下面的公式得出：

數(shù)據(jù)輸出速率一模擬采樣頻率／抽取因子

抽取因子可以通過(guò)寄存器ADCON2和ADCON3設(shè)置。如果ADCON2和ADCON3的設(shè)定值為1 920，那么采樣數(shù)據(jù)的輸出率為19 200 Hz／1 920=10 Hz。由于抽取因子比較高，故抗噪聲性能增強(qiáng)。

MSC1210Y5的ADC有3種數(shù)字濾波器——快速穩(wěn)定濾波器、Sinc2濾波器和Sinc3濾波器，用戶可以通過(guò)ADC控制寄存器1（ADCON1） 的SMl～SM0（ADCON1．5～4）位來(lái)選擇一種具有不同穩(wěn)定模式的數(shù)字濾波器?？焖贋V波器、Sinc2濾波器和Sinc3濾波器的建立時(shí)間分別為 l、2、3個(gè)轉(zhuǎn)換周期，因此當(dāng)輸入通道或PGA的值改變時(shí)，通常不會(huì)同步輸出數(shù)據(jù)，而要等待幾個(gè)轉(zhuǎn)換周期才能得到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此它們的前1、2、3 個(gè)采樣結(jié)果必須丟棄。

為了降低器件和系統(tǒng)的偏移誤差和增益誤差，往往需要采用校準(zhǔn)的方法。MSC1210Y5的ADC提供了5種不同的校準(zhǔn)模式。用戶可以通過(guò)ADCONl寄存器的CAL2～O位來(lái)選擇校準(zhǔn)模式。

ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)候，可能引入的噪聲很多：熱噪聲、散粒噪聲、電源電壓變化、基準(zhǔn)電壓變化、由采樣時(shí)鐘抖動(dòng)引起的相位噪聲以及由量化誤差引起的噪聲。這些噪聲源的噪聲功率都是可以改變的。很多技術(shù)都可以用來(lái)減小噪聲，比如改進(jìn)電路板設(shè)計(jì)或是在基準(zhǔn)電壓信號(hào)線上加旁路電容。但是ADC總是存在量化噪聲，所以一個(gè)給定位數(shù)的數(shù)據(jù)A／D轉(zhuǎn)換器的最大SNR由量化噪聲（不使用過(guò)采樣技術(shù)時(shí)）定義。在正確的條件下，過(guò)采樣會(huì)減小噪聲并改善SNR，這將有效地提高測(cè)量分辨率的位數(shù)。

對(duì)于白噪聲的情況，采用過(guò)采樣可以改善信噪比，但是它是以增加CPU的時(shí)間和降低數(shù)據(jù)通過(guò)率為代價(jià)的。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)的CPU完全為溫度采集服務(wù)，并且對(duì)實(shí)時(shí)性要求并非苛刻，所以可以采用過(guò)采樣的方法來(lái)提高精度，并在一定程度上提高溫度計(jì)的抗干擾能力。MSC1210Y5與ADC相關(guān)的特殊功能寄存器 （SFR）如表1所列。

2．2 液晶顯示器

液晶顯示器選用的是由深圳市拓普微科技開發(fā)有限公司研發(fā)的128×96的全圖形點(diǎn)陣的液晶顯示模塊LM9033A。該液晶顯示模塊能產(chǎn)生四階灰度的顯示效果，此外還具有負(fù)向顯示、顯示視窗移動(dòng)、圖像移動(dòng)、軟件調(diào)節(jié)對(duì)比度等功能。模塊采用TAB結(jié)構(gòu)，最大外形尺寸為63．8 mm×47．4 mm×7．3 mm，提供串／并型接口模式，可滿足用戶對(duì)不同接口的需要。此模塊的特點(diǎn)有：?jiǎn)坞娫?．3 V供電，低電壓，超低功耗；內(nèi)建升壓電路；高對(duì)比度，F(xiàn)STN型LCD屏；白色LED背光。

LM9033A引腳名稱及其功能如表2所列。

LM9033A提供了串／并兩種接口模式，為了節(jié)省單片機(jī)的引腳，使用了默認(rèn)的4線SPI串行接口模式，它與MSC1210Y5的連接方式如圖4所示。P1．3、P1．4、P1．6作為控制端口分別與CS、RST、RS連接，P1．7作為串行時(shí)鐘輸入引腳與DB6相連，P3．3作為串口與DB7相連。VDD、BLA接高電平3．3 V，RSS接地。

2．3 電 源

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是便攜式溫度計(jì)，電源既要保持一定的供電時(shí)間，還要具有盡量小的體積。因此選用了1節(jié)3 V的普通充電電池。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)工具為Keil C，程序下載工具為MSC1210Y5的專用調(diào)試終端TI Downloader。軟件主要包括兩部分：溫度ADC程序和液晶顯示器程序。其中在溫度ADc程序中采用了過(guò)采樣和求均值的算法來(lái)進(jìn)一步提高ADC的分辨率和SNR，以使得溫度計(jì)能夠更加精準(zhǔn)并適應(yīng)更多的測(cè)溫環(huán)境，提高其抗干擾的能力。

3．1 求平均值

通常情況下，由于存在各種干擾，往往降低了ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。人們經(jīng)常采用低通濾波的方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，如取多次轉(zhuǎn)換結(jié)果的平均值作為轉(zhuǎn)換的實(shí)際結(jié)果。對(duì)ADC測(cè)量數(shù)據(jù)求均值等價(jià)于一個(gè)降采樣低通濾波器。求均值的樣本數(shù)量越大，低通濾波器的選擇性越強(qiáng)。MSC12lOY5提供了一個(gè)求和／移位寄存器，可以自動(dòng)完成多次轉(zhuǎn)換結(jié)果的平均，從而較少了軟件的開銷并減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。

3．2 溫度ADC程序

溫度模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分首先配置ADC，允許進(jìn)行自校準(zhǔn)，然后進(jìn)入溫度的循環(huán)采樣，最后通過(guò)串口傳給主機(jī)。算法比較簡(jiǎn)單，如圖5所示。

3．3 液晶顯示器程序

液晶顯示器程序較長(zhǎng)，鑒于篇幅所限，在此不再贅述。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

在不同的時(shí)間用該溫度計(jì)對(duì)室溫進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量20組數(shù)據(jù)，去掉2個(gè)最大值和2個(gè)最小值后，將剩余的16組數(shù)據(jù)取平均值，以手持式熱棒溫度計(jì)JM222作為參照，檢驗(yàn)該溫度計(jì)的精度。 JM222的分辨率為O．1℃，準(zhǔn)確度為±0．3℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所列。

表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該便攜式電子溫度計(jì)精度較高，完全滿足常規(guī)環(huán)境下測(cè)量溫度的需要，具有較高的實(shí)用價(jià)值。下一步的工作是降低該溫度計(jì)的功耗和成本，并進(jìn)一步提高其精度和可靠性。

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