基于汽车SENT接口且带冷结补偿的热电偶温度传感器

电路功能与优势

本电路显示如何在精密热电偶温度监控应用中使用 ADuC7060 或 ADuC7061精密模拟微控制器ADuC7060/ADuC7061集成双通道24位∑-△型模数转换器（ADC）、双通道可编程电流源、14位数模转换器（DAC）、1.2 V内置基准电压源以及ARM7内核、32 kB闪存、4 kB SRAM和各种数字外设，例如UART、定时器、串行外设接口（SPI）和I2C接口。

在该电路中，ADuC7060/ADuC7061连接到一个热电偶和一个100Ω铂电阻温度检测器（RTD）。RTD用于冷结补偿。作为额外选项，ADT7311数字温度传感器可用于代替RTD来测量冷结温度。

在源代码中，ADC采样速率选择4 Hz。当ADC输入可编程增益放大器（PGA）的增益配置为32时，ADuC7060/ADuC7061的无噪声分辨率大于18位。

与主机的单边半字节传输（SENT）接口通过使用定时器控制数字输出引脚来实现。然后，使用外部NPN晶体管将此数字输出引脚通过外部方式电平转换为5 V。按照SENT协议（SAE J2716标准）第6.3.1节的建议在SENT输出电路中提供了EMC滤波器。数据按下降沿到下降沿测量，每个脉冲的持续时间与系统时钟周期数相关。可通过测量SYNC脉冲来确定系统时钟速率。SYNC脉冲在每个数据包开始时发送。要了解更多详情，请参见“SENT接口”部分。

图1. 具有热电偶接口、用作温度监控器控制器的ADuC7060/ADuC7061（原理示意图，未显示所有连接）

电路描述

本应用中用到： ADuC7060/ ADuC7061的下列特性：

内置PGA的24位∑-△型主ADC。PGA的增益在本应用的软件中设置为32。主ADC在热电偶信号采样与RTD电压信号采样之间连续切换。

如果用RTD测量冷结温度，可编程激励电流源会驱动受控电流流过RTD。双通道电流源可在0μA至2μA范围内以200μA阶跃配置。本例使用200μA设置，以便将RTD自热效应引起的误差降至最小。

如果用ADT7311测量冷结温度，将在主机模式下使用SPI接口来连接ADT7311从机。

ADuC7060/ ADuC7061中ADC的内置1.2 V基准电压源。内部基准电压源精度高，适合测量热电偶电压。

ADuC7060/ ADuC7061中ADC的外部基准电压源。为了测量RTD电阻，我们采用比率式设置，将一个外部基准电阻（RREF）连接在外部VREF+和VREF−引脚上。

AD8628 单电源运算放大器用于缓冲RREF至ADC的高阻抗基准电压。

OP193是用于替代AD8628的另一可选择型号。

用于将热电偶共模电压设为地以上850 mV的DAC。

ARM7TDMI®内核。功能强大的16/32位ARM7内核集成了32 kB闪存和SRAM存储器，用来运行用户代码，可配置并控制ADC、通过RTD处理ADC转换，以及控制SPI接口的通信。

定时器1和数字输出引脚用于产生SENT输出信号。

用于抑制ESD、电快速瞬变（EFT）和电涌瞬变（最高23kV）的可选PESDLIN保护二极管。

按照SAE J2716标准（SENT协议）第6.3.1节的建议在SENT输出端提供了EMC滤波器。

两个外部开关用来强制该器件进入闪存引导模式。使S1处于低电平，同时切换S2，ADuC7060/ADuC7061将进入引导模式，而不是正常的用户模式。在引导模式下，通过UART接口可以对内部闪存重新编程。

热电偶和RTD产生的信号均非常小，因此需要使用PGA来放大这些信号。ADuC7060/ADuC7061的辅助ADC不含PGA，因此二者均连接到主ADC，二者之间的切换通过软件完成。

本应用使用的热电偶为T型（copperconstantan），其温度范围为−200°C至+350°C，灵敏度约为40μV/°C，这意味着ADC在双极性模式和32倍PGA增益设置下可以覆盖热电偶的整个温度范围。

RTD用于冷结补偿。本电路使用的是100Ω 铂RTD，型号为Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表贴封装，温度变化率为0.385Ω /°C。

注意，基准电阻RREF应为精密5.6 kΩ （±0.1%）电阻。

SENT接口

SENT接口是一种单引脚单向（传感器至主机）时间调制信号，主要用于在汽车系统中使分布式传感器与主机CPU接口。

SENT的主要要求包括以下几点：

必须有0 V至5 V的信号摆幅，且带有EMC滤波。

用于SENT信号的时钟必须具备±20%的精度。

SENT输出电路必须足够稳定，以耐受对地短路和电源电压短路。

关联的源代码使用ADuC7061的P0.4数字引脚作为SENT输出引脚。所用数据包格式为单传感器数据包格式，详见SAE J2716标准（SENT协议）文档的第A.4节。可修改源代码（尤其是SENT.h和Sent.c文件），来支持其它数据包格式。整体温度结果以/°C格式通过数据半字节1至数据半字节3返回。总而言之，返回的输出数据包为

同步脉冲的56个时钟周期

状态脉冲（7个周期至15个周期）

数据半字节1（温度结果的Bit 11至Bit 8）

数据半字节2（温度结果的Bit 7至Bit 4）

数据半字节3（温度结果的Bit 3至Bit 0）

数据半字节4（计数器的Bit 7至Bit 4）

数据半字节5（计数器的Bit 3至Bit 0）

数据半字节6（与半字节1相反）

图2为数据包示例。

图2. 在P0.4引脚处测得的示例SENT数据包

该电路必须构建在具有较大面积接地层的多层印刷电路板（PCB）上。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、接地和去耦技术。