Простой способ измерения температуры с использованием одного цифрового вывода GPIO

Вопрос: Как я могу выполнить аналоговое измерение, если у меня остался только один цифровой GPIO вывод на FPGA/микроконтроллере в моей системе?

Ответ: Вместо аналого-цифрового преобразователя может использоваться преобразователь напряжение→частота.

Кратко

По мере того, как потребность в датчиках становится все более распространенной в современных приложениях, ориентированных на исправность машин, и других решения интернета вещей (IoT), возникает необходимость в более простых интерфейсах с меньшим количеством входов/выходов и меньшими размерами устройств. Плотность устройств, подключенных к одному микропроцессору или FPGA, продолжает увеличиваться, в то время как размеры устройства (и, как следствие, количество выводов ввода/вывода) могут ограничиваться. В идеальном мире у всех приложений имеется ASIC (application-specific integrated circuit, интегральная микросхема специального назначения), обеспечивающая небольшое интегрированное решение. Однако разработка ASIC отнимает много времени, стоит дорого и не обеспечивает гибкости, которая может понадобиться для других использований. В результате для своевременной и экономичной разработки продукта всё больше и больше приложений используют микропроцессоры или FPGA небольшого форм-фактора. В данной статье мы рассмотрим преобразователь температура→частота, который может обеспечить точные результаты измерения температуры, используя только один вывод GPIO. Также будет продемонстрировано, как использование преобразователя напряжение→частота можно адаптировать к другим различным приложениям с датчиками.

Мотивация

Некоторые сенсорные измерения, такие как температура, влажность и атмосферное давление, по своей природе являются постоянными и меняются с недостаточно быстрой скоростью (либо при этом они не требуют достаточно точных разрешений), чтобы заботиться об АЦП и конструктивных соображениях, которые его сопровождают. Большинство АЦП требует быстрое и точное формирование тактового сигнала и временных интервалов, стабильное опорное напряжение, буфер с очень низким выходным сопротивлением, и аналоговую входную схему для обеспечения правильных условий для сигнала на выходе датчика, прежде чем к нему будет применено цифровое квантование, и он сможет использоваться системой для мониторинга. В случае измерения температуры окружающей среды дискретное приложение может использовать термистор в мосте Уитстона, выходной сигнал которого затем будет подан на измерительный (инструментальный) усилитель и далее на АЦП. Эта конструкция слишком перемудренная и требует много места, мощности и вычислительных циклов, необходимых для приложения, где измерение может потребоваться выполнять только один раз каждые 15 секунд.

Какое альтернативное решение измерения можно использовать для уменьшения количества компонентов и сложности, связанных с цепочкой аналого-цифрового преобразования сигналов, но при этом измерять аналоговое напряжение? Решением является преобразователь напряжения в частоту, такой как LTC6990, в режиме генератора, управляемый напряжением, (ГУН, VCO), который можно использовать для измерения аналогового напряжения без АЦП. В этом примере AD8494, прецизионный усилитель термопары, используется как датчик температуры окружающей среды, выходное напряжение которого служит входным сигналом для LTC6990, что приводит к цепочке преобразования сигнала температуры в частоту.

Как преобразовать входную температуру в выходную частоту?

Сегодня многие современные электронные приборы требуют встроенной системы контроля температуры. Метод преобразования аналоговых сигналов в сигналы с широтно-импульсной модуляцией или цифровые сигналы хорошо документирован. Однако, если для решения измерения потребуется АЦП, существуют недостатки, связанные с затратами, точностью и скоростью. Как правило, чем точнее измерение, тем дороже решение. Обсуждаемая нами схема обеспечивает недорогое, универсальное и легко интегрируемое решение, точность которого может варьироваться в зависимости от потребностей системы измерения температуры.

AD8494 является прецизионным усилителем термопары, но его также можно использовать в качестве датчика температуры окружающей среды, замыкая его входы на землю. Выходные данные затем определяются как:

\[V_{вых} = T_{окр} \cdot \frac{5 мВ}{^{\circ}\text{C}} \qquad (1)\]

В этой цепи, где используется однополярный источник питания, –V_S = земля (0 В), к выводу REF AD8494 должно быть приложено напряжение смещения, чтобы сместить выходное напряжение выше уровня земли, даже если температура окружающей среды отрицательная.

Выходное напряжение датчика температуры V_вых определяется как:

\[V_{вых} = T_{окр} \cdot \frac{5 мВ}{^{\circ}\text{C}} + V_{смещ} \qquad (2)\]

В режиме ГУН (VCO) выходная частота LTC6990 определяется как:

\[F_{вых} = { 1 МГц - \left( {R_{уст} \over R_{ГУН} + R_{уст}} \cdot V_{упр} \right) \cdot \frac{МГц}{В} \over N_{дел} } \qquad (3)\]

Поскольку выходное напряжение AD8494 соответствует V_упр для LTC6990, V_упр в уравнении 2 можно заменить на формулу 1, а настройка R_уст = R_ГУН дает следующее:

\[F_{вых} = { 1 МГц - \left[ \frac{1}{2} \cdot \left( T_{окр} \cdot \frac{5 мВ}{^{\circ}\text{C}} +V_{смещ} \right) \right] \cdot \frac{МГц}{В} \over N_{дел} } \qquad (4)\]

Отсюда теперь можно найти T_окр. Единицы напряжения сокращаются, что приводит к формуле 5:

\[T_{окр} = { -2 \left( (F_{вых} \cdot N_{дел}) - 1 МГц \right) - ( \text{Смещение} \cdot 1 МГц) \over 0,005 МГц } \; ^{\circ}\text{C} \qquad (5)\]

Хорошо, у меня есть выходная частота. Чем она полезна?

Прелесть частотного выхода в том, что для измерения показаний датчика вы можете использовать один цифровой вывод GPIO. Если используется схема синхронного счетчика (как на рисунке 2), то на входе CLK_IN всегда будет отслеживаться нарастающий фронт тактового сигнала. Если в качестве входного тактового сигнала используется F_вых LTC6990, то счетчик будет инкрементировать значение при каждом обнаружении нарастающего фронта на F_вых, представляя, таким образом, счетчик периодов. Если интервал времени между каждым измерением является постоянным, то число периодов в данном интервале времени может быть подсчитано, и частота может быть определена либо с помощью либо математики с плавающей запятой, либо таблицы поиска. Разделив время подсчета T_{подсчет} на количество подсчитанных периодов, мы получаем период F_вых. Инвертировав эту связь, мы получаем формулу 6.

\[F_{вых} = \frac{\text{Количество периодов}}{T_{подсчет}}, \qquad F_{вых} \geq 2 \cdot \left( \frac{1}{T_{подсчет}} \right) \qquad (6) \]

В примере кода Verilog показана функция, которую можно использовать для подсчета количества периодов, используя один вход GPIO на FPGA. Чем больше длительность интервала сбора данных, тем точнее будет измерение. В примере 16-разрядный счетчик используется для обеспечения дополнительного разрешения. Он также предполагает, что логика, управляющая временем подсчета измерений, выполняется на более высоком уровне в архитектуре.

module tempToFreqCounter (Clk_master, Clk_In, rst, PeriodCount)

input Clk_master, Clk_In, rst;
output PeriodCount;
reg[15:0] PeriodCount;

always @(posedge Clk_master)
begin

    always @(posedge Clk_In)
    begin
        PeriodCount = PeriodCount +1;
    end
    
    always @(posedge rst)
    begin
        PeriodCount = 16'b0;
    end
    
end

endmodule

Заключение

В данной статье обсуждается новый тип преобразователя температуры в частоту. Он обеспечивает точный и недорогой метод измерения температуры. Если температура превышает промышленный диапазон от –40°C до + 125°C, на входах датчика может быть установлена термопара. В заключение, на следующем графике показана погрешность измерения системы. График демонстрирует линейную зависимость между температурой окружающей среды и выходной частотой, а также точность системы. Хотя это решение не может обеспечить очень точное разрешение измерений температуры, но для приложений, где допустима погрешность примерно ± 2°C, оно предоставляет дешевый и простой интерфейс для измерения температуры. Кроме того, концепция использования преобразователя напряжения в частоту может быть адаптирована для измерения выходных сигналов датчиков других типов без необходимости использования АЦП.

Теги