温度测量装置和可编程片上系统芯片制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种温度测量装置，包括：模拟开关，用于开启或关闭温度测量装置提供的偏置电压；多路模拟开关，用于转换或关闭温度测量装置提供的激励电流值；多路差分模拟开关，用于提供单通道复用输入；微控制单元，用于控制模拟开关的开启或关闭，控制多路模拟开关以转换或关闭温度测量装置提供的激励电流值，以及控制多路差分模拟开关；输入通道，用于连接外接温度传感器；信号处理电路，用于对多路差分模拟开关输出的模拟信号进行处理；和差分输入模数转换器，用于对信号处理电路输出的模拟信号进行模数转换，并将转换后的数字信号提供给微控制单元进行处理。应用本发明专利技术，可以实现对多种类型的温度传感器的兼容。

【技术实现步骤摘要】
温度测量装置和可编程片上系统芯片
本专利技术涉及工业控制领域，尤其涉及一种温度测量装置和可编程片上系统芯片。
技术介绍
目前，在工业控制系统的可编程逻辑控制器(PLC，ProgrammableLogicController)中，温度测量装置的输入都是单通道输入，由于不同类型的温度传感器的温度测量原理不同，因而这种方式限制了温度测量装置只能兼容一种类型的外接传感器，例如只能兼容热电阻型温度传感器，或只能兼容热电偶型温度传感器；而且，即使是针对同一种温度测量原理下的不同型号的热电阻型温度传感器，如PT100型热电阻传感器和PT1000型热电阻传感器，现有的温度测量装置也只能兼容其中一个。如果想要兼容多种类型的温度传感器，则只能通过手动设置的方式(如键盘、拨码开关和触摸屏等)来实现，十分不便。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种温度测量装置，包括：模拟开关，用于开启或关闭所述温度测量装置提供的偏置电压；多路模拟开关，用于转换或关闭所述温度测量装置提供的激励电流值；多路差分模拟开关，用于提供单通道复用输入；微控制单元MCU，用于控制所述模拟开关的开启或关闭，控制所述多路模拟开关以转换或关闭所述温度测量装置提供的激励电流值，以及控制所述多路差分模拟开关；所述输入通道，用于连接外接温度传感器；信号处理电路，用于对所述多路差分模拟开关输出的模拟信号进行处理；和差分输入模数转换器，用于对所述信号处理电路输出的模拟信号进行模数转换，并将转换后的数字信号提供给所述微控制单元进行处理。上述温度测量装置，还可包括：参考电阻，所述参考电阻的第一端连接所述输入通道的输入端子X3，第二端接地，同时连接所述多路差分模拟开关的通道5，所述参考电阻与所述输入通道构成串联关系，用于当所述外接温度传感器是热电阻型温度传感器时，根据下述公式计算所述热电阻型温度传感器的电阻值：其中，RRTD代表所述热电阻型温度传感器的电阻值，VRTD代表所述热电阻型温度传感器的端电压，VREF代表所述参考电阻的端电压，Rref代表所述参考电阻的电阻值。本专利技术实施例提供了一种温度测量装置，包括：可编程片上系统芯片，用于实现所述温度测量装置的主要的温度测量电路，测量连接在所述芯片上的外接温度传感器所处环境的温度；以及热电偶冷端补偿电路，用于在所述外接温度传感器是热电偶型温度传感器时，为该热电偶型温度传感器提供冷端补偿。上述温度测量装置，还可包括：参考电阻，所述参考电阻的第一端连接所述可编程片上系统芯片的输入通道的输入端子X3，第二端接地，同时连接第二模拟复用器的通道5，所述参考电阻与输入通道构成串联关系，用于当所述外接温度传感器是热电阻型温度传感器时，根据下述公式计算所述热电阻型温度传感器的电阻值：其中，RRTD代表所述热电阻型温度传感器的电阻值，VRTD代表所述热电阻型温度传感器的端电压，VREF代表所述参考电阻的端电压，Rref代表所述参考电阻的电阻值。本专利技术实施例提供了一种可编程片上系统芯片，包括：运算放大器，用于开启或关闭温度测量装置提供的偏置电压；第一模拟复用器，用于转换或关闭所述温度测量装置提供的激励电流值；第二模拟复用器，用于提供单通道复用输入；可编程电流型数模转换器，用于为该温度测量装置提供激励电流；输入缓冲器，用于对所述第二模拟复用器输出的模拟信号进行处理；模数转换器ADC，用于对所述输入缓冲器输出的模拟信号进行模数转换；串行外设接口SPI，用于与所述可编程片上系统芯片的外部进行通信；以及输入通道，用于连接外接温度传感器。由此可见，本专利技术实施例提供的温度测量装置，支持多种类型的温度传感器在单通道的复用输入，从而可以实现对多种类型的温度传感器的兼容，并且能够自动识别外接温度传感器的类型以及外接传感器的连接状态。另外，通过增加高精度外部参考电阻，有效地降低了该温度测量装置对恒流电路中模拟器件性能的要求，提高了温度测量装置的测量精度。附图说明图1是传统的热电阻型温度传感器的测温原理图；图2是本专利技术实施例提供的温度测量装置的结构图；图3a是本专利技术实施例提供的温度测量装置与热电阻型温度传感器的连接方式的示意图；图3b是本专利技术实施例提供的温度测量装置与热电偶型温度传感器的连接方式的示意图；图4是本专利技术实施例提供的温度测量装置的结构图；图5是本专利技术实施例提供的热电阻型温度传感器的测温原理图；图6是本专利技术实施例提供的温度测量装置的结构图。具体实施方式为使本专利技术的实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本专利技术实施例进一步详细说明。热电偶型温度传感器(TC，Thermocouple)是温度测量中最常用的传感器之一。当热电偶型温度传感器(也可简称为热电偶)的热端受热时，温度测量装置中连接该热电偶的两个输入端子之间就会有电势差。通过测量该热电势差，再根据热电势差与温度的关系进行计算就可求得被测温度。表1列出了在冷端温度分别为-50度和200度的条件下，被测温度(也即热电偶型温度传感器的热端温度)的范围是-50℃～200℃时K型热电偶传感器的热电势的变化情况。表1被测温度在-50℃～200℃范围内热电偶传感器的热电势变化情况热电阻型温度传感器(RTD，Resistance)是最精确、最稳定的温度传感器之一，其电阻值与温度基本呈线性关系。热电阻型温度传感器(也可简称为热电阻)需要外部激励电流才能工作，将已知大小的激励电流流过热电阻型温度传感器，通过测量热电阻型温度传感器两端的电压即可求得热电阻型温度传感器的电阻值，根据热电阻型温度传感器的电阻值与温度的关系即可计算得到被测温度。图1是传统的热电阻型温度传感器的测温原理图。如图1所示，高精度电流源给热电阻型温度传感器RTD提供激励电流I，根据欧姆定律，热电阻型温度传感器RTD的电阻值的计算公式为：其中，RRTD热电阻型温度传感器RTD的电阻值；I是激励电流；VRTD是热电阻型温度传感器RTD的端电压。在实际应用中，电流通过电阻元件会发热，从而引起测量误差，故需谨慎选取提供给热电阻型温度传感器的激励电流的大小。PT100型热电阻常用1mA的激励电流，而PT1000型热电阻常用0.5mA的激励电流。表2和表3分别列出了PT100型热电阻和PT1000型热电阻在激励电流分别是1mA和0.5mA的条件下被测温度的范围是-50℃～200℃时的电阻值变化情况。表2被测温度在-50℃～200℃范围内RTD的电阻值变化及在1mA激励电流下的端电压变化情况表3被测温度在-50℃～200℃范围内RTD的电阻值变化及在0.5mA激励电流下的端电压变化情况基于表1～表3中所述的各温度传感器的端电压变化特性，本专利技术实施例提出了一种温度测量装置，支持多种类型的温度传感器在单通道的复用输入，从而可以实现对多种类型的温度传感器的兼容，并且能够自动识别外接温度传感器的类型以及外接传感器的连接状态。图2是本专利技术实施例提供的温度测量装置的结构图。如图2所示，该装置包括：模拟开关11，用于开启或关闭所述温度测量装置提供的偏置电压；多路模拟开关12，用于转换或关闭所述温度测量装置提供的激励电流值；多路差分模拟开关13，用于提供单通道复用输入；微控制单元(MCU，MicroControllerUnit)14，用于控制所述模拟开关11的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种温度测量装置，包括：模拟开关（11），用于开启或关闭所述温度测量装置提供的偏置电压；多路模拟开关（12），用于转换或关闭所述温度测量装置提供的激励电流值；多路差分模拟开关（13），用于提供单通道复用输入；微控制单元MCU（14），用于控制所述模拟开关（11）的开启或关闭，控制所述多路模拟开关（12）以转换或关闭所述温度测量装置提供的激励电流值，以及控制所述多路差分模拟开关（13）；所述输入通道（15），用于连接外接温度传感器；信号处理电路（16），用于对所述多路差分模拟开关（13）输出的模拟信号进行处理；和差分输入模数转换器（17），用于对所述信号处理电路（16）输出的模拟信号进行模数转换，并将转换后的数字信号提供给所述微控制单元（14）进行处理。

【技术特征摘要】
1.一种温度测量装置，包括：模拟开关(11)，用于开启或关闭所述温度测量装置提供的偏置电压；多路模拟开关(12)，用于转换或关闭所述温度测量装置提供的激励电流值；多路差分模拟开关(13)，用于提供单通道复用输入；微控制单元MCU(14)，用于控制所述模拟开关(11)的开启或关闭，控制所述多路模拟开关(12)以转换或关闭所述温度测量装置提供的激励电流值，以及控制所述多路差分模拟开关(13)；所述输入通道(15)，用于连接外接温度传感器；信号处理电路(16)，用于对所述多路差分模拟开关(13)输出的模拟信号进行处理；和差分输入模数转换器(17)，用于对所述信号处理电路(16)输出的模拟信号进行模数转换，并将转换后的数字信号提供给所述微控制单元(14)进行处理，其中，所述MCU(14)首先导通模拟开关(11)为所述外接温度传感器的负极提供一个偏置电压，并关闭所述多路模拟开关(12)；若所述差分输入模数转换器(17)所测得的所述多路差分模拟开关(13)的通道0的电压值在热电偶型温度传感器的输出电压范围内，并且该差分输入模数转换器(17)所测得的所述多路差分模拟开关(13)的通道2的电压值为0伏，则判定所述外接温度传感器为热电偶型温度传感器，并根据热电偶型温度传感器的热电势差与温度的关系计算出被测温度；否则，断开所述模拟开关(11)以关闭偏置电压；导通所述多路模拟开关(12)的通道1，为所述温度测量装置的温度测量通路提供0.5mA的激励电流；若所述差分输入模数转换器(17)测得的所述多路差分模拟开关(13)的通道2的电压值在PT1000型热电阻在0.5mA激励电流下的端电压变化范围内，则判定所述外接温度传感器为PT1000型热电阻，同时根据PT1000型热电阻的电阻值与温度的关系计算出被测温度；否则，关闭所述多路模拟开关(12)的通道1，导通所述多路模拟开关(12)的通道0，为所述温度测量装置的温度测量通路提供1mA的激励电流；若所述差分输入模数转换器(17)所测得的所述多路差分模拟开关(13)的通道2的电压值在PT100型热电阻在1mA激励电流下的端电压变化范围内，则判定所述外接温度传感器为PT100型热电阻，同时根据PT100型热电阻的电阻值与温度的关系计算出被测温度；否则，判定未连接外接温度传感器或外接温度传感器连接错误。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输入通道(15)包括三个输入端子X1(151)，X2(152)和X3(153)。3.根据权利要求2所述的装置，其中，当所述外接温度传感器是热电阻型温度传感器时，所述热电阻型温度传感器的三根输出线分别与输入端子X1(151)、输入端子X2(152)和输入端子X3(153)连接。4.根据权利要求2所述的装置，其中，当所述外接温度传感器是热电偶型温度传感器时，所述热电偶型温度传感器的正极输出线与输入端子X1(151)连接，负极输出线与输入端子X2(152)连接，所述温度测量装置的输入端子X3(153)通过电线与输入端子X2(152)直接连接。5.根据权利要求1所述的装置，还包括：参考电阻(18)，所述参考电阻(18)的第一端连接所述输入通道(15)的输入端子X3(153)，第二端接地，同时连接所述多路差分模拟开关(13)的通道5，所述参考电阻(18)与所述输入通道(15)构成串联关系，用于当所述外接温度传感器是热电阻型温度传感器时，根据下述公式计算所述热电阻型温度传感器的电阻值：其中，RRTD代表所述热电阻型温度传感器的电阻值，VRTD代表所述热电阻型温度传感器的端电压，VREF代表所述参考电阻(18)的端电压，Rref代表所述参考电阻(18)的电阻值。6.一种温度测量装置，包括：可编程片上系统芯片(51)，用于实现所述温度测量装置的主要的温度测量电路，测量连接在所述芯片(51)上的外接温度传感器所处环境的温度；以及热电偶冷端补偿电路(52)，用于在所述外接温度传感器是热电偶型温度传感器时，为该热电偶型温度传感器提供冷端补偿，其中，所述可编程片上系统芯片(51)包括：运算放大器(511)，用于开启或关闭所述温度测量装置提供的偏置电压；第一模拟复用器(512)，用于转换或关闭所述温度测量装置提供的激励电流值；第二模拟复用器(513)，用于提供单通道复用输入；可编程电流型数模转换器(514)，用于为该温度测量装置提供激励电流；输入缓冲器(515)，用于对所述第二模拟复用器(513)输出的模拟信号进行处理；模数转换器ADC(516)，用于对所述输入缓冲器(515)输出的模拟信号进行模数转换；串行外设接口SPI(517)，用于与所述可编程片上系统芯片51的外部进行通信；以及输入通道(518)，用于连接外接温度传感器，其中，所述可编程片上系统芯片(51)首先导通所述运算放大器(511)为所述外接温度传感器的负极提供一个偏置电压，并关闭所述第一模拟复用器(512)；若所述ADC(516)所测得的所述第二模拟复用器(513)的通道0的电压值在热电偶型温度传感器的输出电压范围内，并且该ADC(516)所测...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐小洪，李昔文，晏波，季军利，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE