超低功耗温度测量与显示方案

摘要

温度测量系统应用广泛，被大量应用于电厂、建材、煤化工、冶金、供热、工程机械热处理、煤质化验等温度测控领域。实现高精度、低功耗温度监测成为多种行业的需求，本文介绍了一种超低功耗温度测量显示系统的实现方法，给出了其硬件连接方式及软件工作流程，对超低功耗设计方法给出具体思路。

硬件连接

谈到低功耗方案设计，有过单片机开发经历的工程师基本都会想到欧美知名芯片厂商的MSP430超低功耗MCU，MSP430在功耗控制方面处在行业领先水平，但片内资源有限，在进行高精度温度测量时需要采集温度传感器的微弱信号，12位的片内ADC就不能满足要求，需要外加仪表放大器和高精度ADC，以满足温度传感器信号的高精度测量，通常选择AD7794或ADS1220做模拟信号采集。也有产品中使用国内知名芯片厂商的MCU进行方案设计，该MCU内置仪表放大器和16位ADC，在热电阻温度测量应用中，需要外加运放搭建恒流源，且MCU的功耗较大，休眠模式下电流70μA，增加外部运放后，整个方案的功耗更加难以控制，在测量精度和产品寿命方面没有保障。

现介绍基于SDIC的SD8318实现的温度测量方案，该芯片集成了丰富的片内资源，可使用最少的外围器件，实现温度的高精度、低功耗测量与显示，主要的功能包括：

• 24 bits高精度ADC
• 低噪声仪表放大器，内置电路有效抑制漂移
• 内置OP，可借助外部电阻搭建1路程控恒流源
• 低功耗工作模式
• LCD显示驱动，内置升压电路，可在低电压时维持高亮度
• 多级电池电压检测
• 内置EPROM可用于存储校准数据
• 一路16 bits PWM输出
• 一路UART通信
• 一路片内温度传感器

上面所介绍的功能都是进行温度表头设计必须具备的，SD8318将上述功能集成在芯片内部，大大简化了片外电路的复杂程度，更少的外围电路，对整体方案的一致性、功耗水平等方面都有很好地保障。

下面以PT100/PT1000热电阻温度测量、显示方案为例，介绍基于SD8318的电路方案。

图1. 基于SD8318的热电阻测量电路

图1介绍了基于SD8318实现的PT100/PT1000温度测量方案，包括稳压电路与多级低压检测模块（使用2节干电池供电时，LDO电路可省略）、液晶显示模块、恒流源驱动电路、按键输入、热电阻测量电路及SD8318借助芯片内部的高精度ADC、OP等资源，可使用最少的外围电路实现整套电路方案设计。

SD8318内部集成的PGIA和ADC电路可很好的保证传感器信号测量精度，搭配软件上的温度转换算法，可在-100~400℃范围内误差小于0.1℃。

软件流程

不同品牌的温度表头产品具有不同的功能，软件流程也就各不相同，这里重点介绍在降低功耗方面所涉及的软件工作流程。

为了降低系统功耗，方案中使用了SD8318的正常工作模式、待机模式和休眠模式，表头工作时，使用正常工作模式与待机模式，通过降低正常工作时间来降低系统功耗，系统工作流程如图2所示。

图2. 软件工作流程

根据图2，完整的工作过程包括几种工作状态：

第一步，开机时会有60秒钟的连续工作过程，会开启背光，并连续刷新显示；当有按键操作时，也会进入这种状态。这种设计主要用于生产操作，如校表时需要连续工作以保证校准精度和提高生产效率；

第二步，关闭功能模块，进入待机模式，此时不关闭液晶显示，不刷新显示数据；待机模式可有效地降低工作电流，保留显示的情况下，整机功耗在0.04mW左右，属于超低功耗水平；

第三步，退出待机并进入正常工作模式，首先打开正常测量时用到的功能模块，如AVDDR、OP等，并给一定稳定时间，整个过程在70ms左右，平均功耗在2.1mW左右；

第四步，启动ADC、PGIA，开始测量，完成一次稳定结果读取并刷新显示，整个过程大约300ms左右，平均功耗3.5mW左右；

从上述分析过程，以3S为周期的工作工作循环中，2.6S的时间都处于待机状态，极大的降低了产品功耗。此外，方案中还可以增加休眠模式，在表头长时间不用时，可通过按键进入休眠模式，此时仅1μA左右的电流消耗。

功能扩展

除热电阻温度测量方案外，SD8318在热电偶、压力、液位等传感器测量中同样有优势。片内温度传感器支持单点校准，可在热电偶测量应用中做冷端参考，也可使用外部温度传感器，借助多个模拟信号输入通道实现。UART通信功能，可扩展无线传输、物联网应用等。

SD8318支持一路高精度PWM输出，在外加调整管的情况下，可实现4~20mA输出，满足两线制电流输出型变送器设计需求。

小结

本文给出的基于SD8318实现的热电阻温度测量，以极低的功耗完成温度的高精度测量与显示工作，具有极强的应用价值。丰富的片内资源，极大的降低外围电路的复杂程度，缩减硬件成本。此外，还可扩展无线传输功能，4~20mA电流输出型变送器等。