【产品应用方案】基于LH32M0S3的高精度温度测量方案
1. 引言温度是世界上最广泛测量的物理现象。温度传感器主要有热电偶、rtd、红外等。pt1000、热电偶、红外等作为工业领域广泛应用的测温元件，被大量应用于电厂、建材、煤化工、冶金、供热、工程机械热处理、煤质化验等测控领域。本文介绍了基于一款国产数模混合型soc lh32m0s3的高精度温度测量方案，相较传统的测温方案，其测量电路成本大大降低，而测量精度显著提高。
2. lh32m0s3简介2.1. 结构框图
图1. lh32m0s3 结构框图
2.2. 功能特性
内核— 32 位 arm® cortex® -m0 cpu— 最高 32mhz 工作频率
存储器— 最大128 kbytes flash 存储器— 4 kbytes sram
时钟模块— 内部 32mhz rc 振荡器(hrc), 典型情况下精度±1%— 内部 32khz rc 振荡器(lrc), 典型情况下精度±10%— 32.768khz 低速晶体振荡器(lxt)
工作环境— vdd 电压: 2.2~3.6v— vdda 电压: 2.2~3.6v— 温度范围: -40~105℃
电源管理— 低功耗模式: 睡眠，深度睡眠和掉电模式— 支持上电/掉电复位 (por/pdr)— 支持低电压检测 (lvd)
通用输入输出— 35个 i/o 支持最高 32mhz 工作频率— 支持中断向量
高精度模数转换器(sigma-delta adc)— 24 bit 高精度 sigma-delta adc— 最大支持8个外部输入通道— 支持单端、差分输入— 1/2/4/8/16/32/64/128 倍可选增益— 积分非线性（inl）最大30ppm— adc通道温漂 2ppm/℃— 输出速率 8hz~8khz enob≥19.5bit@30sps，pga=128 enob≥15.4 bit@8ksps，pga=128— 硬件自动切换adc通道，自动轮询读adc数据，中断通知mcu或dma— 自带参考电压，输出 1.8/2.35/2.45/2.8v 可选— 集成温度传感器/电源电压检测通道
数字比较器— 快速响应的数字比较器
lcd driver— 集成4 com ， 20 seg 配置— 集成charge pump
led driver— 最大支持7 x 8 段
一路蜂鸣器2个定时器— 4路16bit 高级控制定时器（tim1），带死区和互补控制的6通道 pwm 输出— 4路16bit 通用定时器（tim2），带pwm 输出
可编程恒流源— 8ma,10ma,12ma,20ma— 支持pwm控制
oled彩屏dma加速模块串行单线调试 (swd)封装—lqfp48(7mmx7mm)—ssop24(8.2mmx5.3mm)—qfn48(6mmx6mm)
3. 测量原理3.1. 热电偶
热电偶温度传感器即镍铬－镍硅热电偶温度传感器，其由两种不同材料的金属导体组成闭合回路，一端放在被测介质中感受温度变化，另一端为冷端放置在恒定的工作环境中，当两端温度不同时，在回路中产生一定方向和大小的电动势。传感器基本构造如下图所示。
图2. 热电偶
上图中ai0和ai1为soc的差分输入，acm为soc的基准输出可作为外部传感器的共模输入。当冷热两端温度不同时，传感器可在ai0和ai1上产生mv级信号，将此信号经过外部滤波电路后，送入soc内部进行信号放大，然后进入24位高精度adc系统结构内，其测量基准选用内部高精度基准，配置好adc合适参数，即可完成温度范围所对应的电压值测量。而对于冷端补偿，可以使用soc的内部硅温度传感器或者一款单总线数字温度传感器进行补偿。
3.2. 红外传感器
热电堆红外温度传感器中的热电堆是一种温度测量元件，它一般由两个介面原件组成，分别为thermopile和thermistor组成，元件和元件结构示意图如下：
图3. 热电堆红外温度传感器
热电堆红外传感器接收目标物的红外辐射，产生电压信号(thermopile 两端信号)，该电压信号跟目标温度tobj 和环境温度tamb 的关系如下:
v=k(f(tobj)-f(tamb))
其中k 是校正常数；f 为函数，跟传感器有关。
①经lh32m0s3内置pga 放大和高精度ad 数模转换后测出thermopile两端信号。
②lh32m0s3对ntc 的电阻阻值进行采集(thermistor 两端信号)，通过查找温度-电阻表的方法将环境温度tamb 确定。
③通过计算或者查表得到目标物温度tobj。
④得到目标温度后通过lh32m0s3驱动lcd 显示实际温度，完成红外测温到显示温度的过程。其他设置温度高低阈值及报警等功能可根据需求增加。
3.3. rtd
图4. rtd电阻网络
rtd引出的三根导线截面积和长度均相同(即r1=r2=r3)，如上图所示铂电阻作为电桥的一个桥臂，将一根导线(r1)接到电桥的地，其余两根(r2、r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，引线电阻的变化对测量结果没有影响。
经lh32m0s3内置pga 放大和高精度ad 数模转换后测出mcu_a+和mcu_a-之间差值，通过该差值计算出pt电阻值，然后根据pt电阻值计算出温度值，得到温度后通过lh32m0s3驱动lcd 显示实际温度，完成测温到显示温度的过程。
4. 方案介绍下图介绍了基于soc lh32m0s3实现rtd，热电偶，红外测温方案，该种测量方案利用avdd来驱动三线制rtd或利用soc内部高精度基准输出作为热电偶的负端参考，将所得到的数据送入内部24位高精度adc进行计算分析，而后通过软件特有的算法对测量得到的值进行温度换算，最后利用内部lcd driver驱动外部lcd作为温度的测量显示。
方案中用到的soc集成度高，工业级可靠性，丰富的数字接口spi，i2c，uart，内部自带lcd，led驱动，24位高精度adc(enob>=19.5bit@30sps,128增益)，低温漂(2ppm/℃)可编程增益放大器，恒流源以及片上温度传感器等可以给各种应用提供丰富的可能性。
图5. 方案原理图
下图是demo板接pt1000和福禄克万用表同时测量水温示意图，从图中看出测出水温均为34.4℃。
图6. 实际效果图
测试9个温度点，绘制曲线如下图。
图7. 实测精度对比图
5. 总结以上温度测量方案中所用到的芯片属于内部自带lcd驱动，24位高精度adc，低温漂可编程增益放大器的32位工业级mcu类的soc产品，不仅从电路上解决了传统测温方案的缺陷，提高了测量精度，而且测量电路的元器件大大的减少，这也正是soc产品相比较普通mcu加adc芯片的优势所在。
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2. lh32m0s3简介2.1. 结构框图
图1. lh32m0s3 结构框图
2.2. 功能特性
内核— 32 位 arm® cortex® -m0 cpu— 最高 32mhz 工作频率
存储器— 最大128 kbytes flash 存储器— 4 kbytes sram
时钟模块— 内部 32mhz rc 振荡器(hrc), 典型情况下精度±1%— 内部 32khz rc 振荡器(lrc), 典型情况下精度±10%— 32.768khz 低速晶体振荡器(lxt)
工作环境— vdd 电压: 2.2~3.6v— vdda 电压: 2.2~3.6v— 温度范围: -40~105℃
电源管理— 低功耗模式: 睡眠，深度睡眠和掉电模式— 支持上电/掉电复位 (por/pdr)— 支持低电压检测 (lvd)
通用输入输出— 35个 i/o 支持最高 32mhz 工作频率— 支持中断向量
高精度模数转换器(sigma-delta adc)— 24 bit 高精度 sigma-delta adc— 最大支持8个外部输入通道— 支持单端、差分输入— 1/2/4/8/16/32/64/128 倍可选增益— 积分非线性（inl）最大30ppm— adc通道温漂 2ppm/℃— 输出速率 8hz~8khz enob≥19.5bit@30sps，pga=128 enob≥15.4 bit@8ksps，pga=128— 硬件自动切换adc通道，自动轮询读adc数据，中断通知mcu或dma— 自带参考电压，输出 1.8/2.35/2.45/2.8v 可选— 集成温度传感器/电源电压检测通道
数字比较器— 快速响应的数字比较器
lcd driver— 集成4 com ， 20 seg 配置— 集成charge pump
led driver— 最大支持7 x 8 段
一路蜂鸣器2个定时器— 4路16bit 高级控制定时器（tim1），带死区和互补控制的6通道 pwm 输出— 4路16bit 通用定时器（tim2），带pwm 输出
可编程恒流源— 8ma,10ma,12ma,20ma— 支持pwm控制
oled彩屏dma加速模块串行单线调试 (swd)封装—lqfp48(7mmx7mm)—ssop24(8.2mmx5.3mm)—qfn48(6mmx6mm)
3. 测量原理3.1. 热电偶
热电偶温度传感器即镍铬－镍硅热电偶温度传感器，其由两种不同材料的金属导体组成闭合回路，一端放在被测介质中感受温度变化，另一端为冷端放置在恒定的工作环境中，当两端温度不同时，在回路中产生一定方向和大小的电动势。传感器基本构造如下图所示。
图2. 热电偶
上图中ai0和ai1为soc的差分输入，acm为soc的基准输出可作为外部传感器的共模输入。当冷热两端温度不同时，传感器可在ai0和ai1上产生mv级信号，将此信号经过外部滤波电路后，送入soc内部进行信号放大，然后进入24位高精度adc系统结构内，其测量基准选用内部高精度基准，配置好adc合适参数，即可完成温度范围所对应的电压值测量。而对于冷端补偿，可以使用soc的内部硅温度传感器或者一款单总线数字温度传感器进行补偿。
3.2. 红外传感器
热电堆红外温度传感器中的热电堆是一种温度测量元件，它一般由两个介面原件组成，分别为thermopile和thermistor组成，元件和元件结构示意图如下：
图3. 热电堆红外温度传感器
热电堆红外传感器接收目标物的红外辐射，产生电压信号(thermopile 两端信号)，该电压信号跟目标温度tobj 和环境温度tamb 的关系如下:
v=k(f(tobj)-f(tamb))
其中k 是校正常数；f 为函数，跟传感器有关。
①经lh32m0s3内置pga 放大和高精度ad 数模转换后测出thermopile两端信号。
②lh32m0s3对ntc 的电阻阻值进行采集(thermistor 两端信号)，通过查找温度-电阻表的方法将环境温度tamb 确定。
③通过计算或者查表得到目标物温度tobj。
④得到目标温度后通过lh32m0s3驱动lcd 显示实际温度，完成红外测温到显示温度的过程。其他设置温度高低阈值及报警等功能可根据需求增加。
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rtd引出的三根导线截面积和长度均相同(即r1=r2=r3)，如上图所示铂电阻作为电桥的一个桥臂，将一根导线(r1)接到电桥的地，其余两根(r2、r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，引线电阻的变化对测量结果没有影响。
经lh32m0s3内置pga 放大和高精度ad 数模转换后测出mcu_a+和mcu_a-之间差值，通过该差值计算出pt电阻值，然后根据pt电阻值计算出温度值，得到温度后通过lh32m0s3驱动lcd 显示实际温度，完成测温到显示温度的过程。
4. 方案介绍下图介绍了基于soc lh32m0s3实现rtd，热电偶，红外测温方案，该种测量方案利用avdd来驱动三线制rtd或利用soc内部高精度基准输出作为热电偶的负端参考，将所得到的数据送入内部24位高精度adc进行计算分析，而后通过软件特有的算法对测量得到的值进行温度换算，最后利用内部lcd driver驱动外部lcd作为温度的测量显示。
方案中用到的soc集成度高，工业级可靠性，丰富的数字接口spi，i2c，uart，内部自带lcd，led驱动，24位高精度adc(enob>=19.5bit@30sps,128增益)，低温漂(2ppm/℃)可编程增益放大器，恒流源以及片上温度传感器等可以给各种应用提供丰富的可能性。
图5. 方案原理图
下图是demo板接pt1000和福禄克万用表同时测量水温示意图，从图中看出测出水温均为34.4℃。
图6. 实际效果图
测试9个温度点，绘制曲线如下图。
图7. 实测精度对比图
5. 总结以上温度测量方案中所用到的芯片属于内部自带lcd驱动，24位高精度adc，低温漂可编程增益放大器的32位工业级mcu类的soc产品，不仅从电路上解决了传统测温方案的缺陷，提高了测量精度，而且测量电路的元器件大大的减少，这也正是soc产品相比较普通mcu加adc芯片的优势所在。
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