高精度溫度芯片Si7051在熱電偶補(bǔ)償中的應(yīng)用

　　王昌世（南昌溫度測(cè)控實(shí)驗(yàn)室，南昌?330002）

　　摘?要：熱電偶(TC)測(cè)溫是溫控儀必備的功能。TC測(cè)溫需進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)木葲Q定著TC的測(cè)溫精度。本文要介紹的就是用Si7051所測(cè)量的TC冷端溫度，來(lái)對(duì)TC進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使TC的測(cè)溫精度能達(dá)到或接近0.1度℃。重點(diǎn)是講述用STM32F103CBT6單片機(jī)從I ² C總線(xiàn)讀取Si7051芯片中的溫度編碼值，即編程。涉及TC補(bǔ)償原理、Si7051與STM32單片機(jī)的I ² C接口電路與和程序流程。

　　關(guān)鍵詞：高精度熱電偶補(bǔ)償；Si7051；STM32F103；I ² C總線(xiàn)；程序流程

　　Si7051是一款較新的、性?xún)r(jià)比較高的器件，雖批量?jī)r(jià)僅為10 元/片,可經(jīng)試用，其對(duì)TC補(bǔ)償?shù)淖饔脜s很大，很有效。但目前，在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)應(yīng)用介紹（經(jīng)網(wǎng)上檢索）。想必，此文的創(chuàng)新應(yīng)用，會(huì)助力國(guó)內(nèi)TC測(cè)溫技術(shù)的進(jìn)步。

　　1 補(bǔ)償原理

　　把TC的兩端分為冷端（接入線(xiàn)路的那一端）和熱端（測(cè)溫對(duì)象所在端）。令TC冷端溫度為 Ct ，TC的輸出溫為 Tt ，則TC的熱端溫度（即測(cè)量溫度）Mt Ct Tt = + 。補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵在于冷端和Si7051感溫盡可能做到同溫。假如不完全相同，則應(yīng)注意這個(gè)溫差校正。

　　此前，我們用LM75A溫度芯片測(cè)量 Ct 。但由于它的精度較低（在-20 ℃～+100 ℃全量程范圍，最大誤差達(dá)2 ℃，分辨率為0.5 ℃（即，其小數(shù)位只能是0或0.5）），使得Mt值不僅包含同樣的誤差，而且時(shí)常有0.5℃的跳變。這使得溫控儀達(dá)到0.1℃的控溫精度變得不可能。

　　2 Si7051介紹 ^[2]

　　此芯片由美國(guó)Silicon Labs(即芯科科技)公司生產(chǎn)，已先后發(fā)布8個(gè)版本，最新的1.15版，在2018-09發(fā)布。

　　2.1 主要性能特征

　　1）高精度。測(cè)溫精度分3段：

　　±0.1 ℃: +35.8 ℃～41 ℃（人體溫度范圍）；

　　±0.13 ℃: 20.0 ℃～70.0 ℃（準(zhǔn)環(huán)境溫度范圍）；

　　±0.25 ℃: –40 ℃～+125 ℃（全量程）。

　　第2段是溫控儀（TC冷端）所在環(huán)境最常見(jiàn)的溫度范圍。

　　2）體積小，引腳少；

　　3 mm × 3 mm × 0.8 mm，DFN(Dual flat No-lead，即雙平面，無(wú)引線(xiàn))封裝。6個(gè)引腳，見(jiàn)圖1。它的小的體積使其在用做溫度補(bǔ)償用時(shí)，易于在電路板（即PCB）上和TC的冷端一起放置；而在做人體（或其他對(duì)象）溫度計(jì)時(shí)，整體的體積可以很小。

　　3）接口電路的外圍元件少，接口簡(jiǎn)單；

　　僅有1個(gè)去偶電容和2個(gè)上拉電阻。雖有6個(gè)引腳，但對(duì)外連線(xiàn)只有4根。DNC引腳可懸空或連到VDD腳。見(jiàn)電路圖2。

　　4）背面有感溫金屬平面；

　　大小為1.5 mm × 2.4 mm，見(jiàn)圖3。這個(gè)面能使它很好地感受TC冷端的溫度，達(dá)到與之同溫的目的。

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)選用STM32F103CBT6，它自帶有I ² C總線(xiàn)，這使得相關(guān)接口（包括編程）相對(duì)簡(jiǎn)單。見(jiàn)圖2。原理圖雖不復(fù)雜，但作為T(mén)C 補(bǔ)償元件，要做到它和TC冷端準(zhǔn)確同溫,卻并非易事,我們也是經(jīng)過(guò)多次改進(jìn),才達(dá)到的。具體做法是：①單獨(dú)做一塊小的PCB板（雙面，11 mmx7 mm，見(jiàn)圖3），通過(guò)插針與主板相連。在小板上，Si7051背面的感溫面下要開(kāi)孔, 使感溫面能和冷端相對(duì)、相通?？椎拇笮∩孕∮诟袦孛?。注意看圖3。②此小板和和TC冷端并立在一起放置，并且要遠(yuǎn)離板上的其他熱，見(jiàn)圖4。圖中，3線(xiàn)（棕、紅和黑3色）插頭是TC的冷端線(xiàn)，左邊立著的就是Si7051小板。③小板和TC冷端附近約30 mmx7 mm的PCB板區(qū)域內(nèi)不敷銅，以免多傳熱。

　　4 編程

　　編程本文的要點(diǎn)。

　　4.1 理解圖4的時(shí)序

　　文獻(xiàn)^[2]給出了讀取Si7051芯片的溫度編碼的I2C時(shí)序圖（經(jīng)英譯中）。此時(shí)序圖從左到右，分成了19個(gè)段（數(shù)字所示）。

　　此圖所涉及的相關(guān)技術(shù)術(shù)語(yǔ)參見(jiàn)文獻(xiàn)^[3-7]。幾點(diǎn)說(shuō)明如下：

　　1）圖中的“主”是指主設(shè)備；從是指從設(shè)備（下同）。

　　2）第2段是“從地址”，指的是Si7051的從地址0x40；

　　3）第3段是“主將要寫(xiě)操作”，指的是，在I2C總線(xiàn)上，出現(xiàn)Si7051的從地址0x40后，主設(shè)備是要發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)（第5段的0xf3）。注意這一段是一個(gè)位（bit）段且為0值，它附在第2段的0x40后面（100000B+0B= 10000000B）形成最終的0x80寫(xiě)地址字節(jié)（與0x81的讀地址（如，第8、9段組合）對(duì)應(yīng)。這一點(diǎn)很重要，編程時(shí)不要誤寫(xiě)為0x40。

　　4）第9段是“主將要讀操作”，指的是.在I2C 總線(xiàn)上，出現(xiàn)Si7051的從地址0x40后，主設(shè)備是要從設(shè)備里讀取數(shù)據(jù)。這也是一個(gè)位段，但值為1，它附在第8段的0x40后面（100 0000B+1B=10000001B）形成最終的0x81讀地址字節(jié)。

　　5）第10段是“非應(yīng)答（即NACK）”。對(duì)Si7051來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)特殊的位信號(hào)，它會(huì)一直持續(xù)高電平，直到片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。從這個(gè)信號(hào)發(fā)出算起，Si7051開(kāi)始一次測(cè)溫的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，具體轉(zhuǎn)換時(shí)間見(jiàn)參考文獻(xiàn)^[2]的第4頁(yè)的表2。 本程序用12ms延時(shí)來(lái)處理。程序在12毫秒后,繼續(xù)到第11段。

　　6）完成這個(gè)時(shí)序的全部操作后，得到的緊緊是2個(gè)字節(jié)（14位，最低2位不用）編碼，而不是溫度的實(shí)數(shù)值。實(shí)數(shù)溫度（℃）= （175.72×溫度編碼 / 66636）-46.84（式1） ^[2] 。

　　4.2 流程圖

　　用IAR7.2.05工具及ST（即意法半導(dǎo)體）公司在2011年發(fā)布的3.5.0的庫(kù)函數(shù)（一直未變）。該庫(kù)函數(shù)包含了32個(gè)I2C相關(guān)函數(shù)和諸多變量定義，可選擇使用，本程序用了其中的10個(gè)函數(shù)。

　　圖6是依據(jù)圖5的時(shí)序來(lái)編制的。有3點(diǎn)須說(shuō)明：*相關(guān)函數(shù)注解詳見(jiàn)3.2.1。**限于篇幅，只用了一個(gè)菱形判斷圖作為示例，其他判斷處未用，但包含的流程相同,即如果不成功,則反復(fù)調(diào)用判斷函數(shù),直到成功。***延時(shí)程序一般是自編的，不調(diào)庫(kù)函數(shù),以便準(zhǔn)確控制延時(shí)時(shí)間。

　　4.2.1 圖6相關(guān)庫(kù)函數(shù)說(shuō)明

　　這里的序號(hào)即是圖6中的中函數(shù)編號(hào)一致。

　　1） void I2C_GenerateSTART(I2C_TypeDef*I2Cx, FunctionalState NewState)；

　　2)ErrorStatus I2C_CheckEvent(I2C_TypeDef*I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)；

　　3）void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef*I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction)；

　　4）void I2C_SendData(I2C_TypeDef* I2Cx,uint8_t Data)；

　　5）uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef*I2Cx)；

　　6）void I2C_GenerateSTOP(I2C_TypeDef* I2Cx,FunctionalState NewState)；

　　7）void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef*I2Cx, FunctionalState NewState)；

　　8）I2C_Init(I2C_TypeDef* I2Cx, I2C_InitTypeDef*I2C_InitStruct);

　　9 ） I 2 C _ C m d ( I 2 C _ T y p e D e f * I 2 C x ,FunctionalState NewState);

　　10）void I2C_DeInit(I2C_TypeDef* I2Cx);

　　另外，圖中的函數(shù)I2C_Configuration()通常是根據(jù)需要自編的，不是庫(kù)函數(shù)。

　　(1) 主程序Void Read_Si7051_Temperature(void)；

　　(2) 子程序 讀Si7051溫度編碼并計(jì)算攝氏溫度u8 I2C_Read(I2C_TypeDef *I2Cx，u8 I2C_Addr，u8 data，u8 *buf,u16 num)

　　5 結(jié)論

　　Si7051裝在線(xiàn)路板上，精度高、運(yùn)行穩(wěn)。下面是一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（表3）：

　　測(cè)試條件說(shuō)明：①地點(diǎn)：辦公室，對(duì)環(huán)境溫度測(cè)試；②工具：實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的SCTC溫控儀；RKC CH402圖6. 讀Si7051溫度編碼的程序流程圖(1) 主程序Void Read_Si7051_Temperature(void)；(2) 子程序 讀Si7051溫度編碼并計(jì)算攝氏溫度u8 I2C_Read(I2C_TypeDef *I2Cx，u8 I2C_Addr，u8 data，u8 *buf,u16 num)

　　日本產(chǎn)溫控儀，其上無(wú)小數(shù)顯示（對(duì)熱電偶）。測(cè)試分析：儀器每秒對(duì)Si7051和熱電偶同步采樣一次，數(shù)據(jù)記錄間隔是2 min。在18 min內(nèi)，Si7051測(cè)溫僅變化31.53-31.47=0.06(℃)，多數(shù)時(shí)間，只在小數(shù)點(diǎn)后第2位上有變。表明其精準(zhǔn)、穩(wěn)定。SCTC測(cè)溫也僅變化30.53-30.20=0.33(℃)。這里，Si7051的測(cè)量的溫度要高于SCTC儀及RKC儀的測(cè)量溫度是因?yàn)镻CB板上的氣溫要高于一般環(huán)境溫度。

　　以后還將一如既往地關(guān)注、實(shí)施溫度測(cè)控領(lǐng)域的新元件的應(yīng)用，并把相關(guān)的研發(fā)成果及時(shí)在專(zhuān)業(yè)刊物上發(fā)表，為我國(guó)自動(dòng)化儀表的發(fā)展出一分力。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Measuring Temperature Accurately with Semicondutor [EB/OL], Silicon Laboratories, [2019-06-2].https://www.silabs.com/documents/public/white-papers/ measuring-temperature-accurately-with-semiconductor-sensors.pdf.

　　[2]Si7050-1-3-4-5-A20-1398033D[EB/OL],2018-09,Revision1.15,Silicon Laboratories,pp:1-27 (2018-09)[2019-05-27]：1-27.https://www.silabs.com/documents/public/data-sheets/Si7050-1-3-4-5-A20.pdf

　　[3]AN607:Si70XX HUMIDITY AND TEMPERATURE SENSORDESIGNER’S GUIDE [EB/OL], Revision 2.0 ，SiliconLaboratories， P6, (2016-07)[2019-06-02].https://ww.silabs.com/documents/public/application-notes/AN607.pdf.

　　[4]AN1026: Si70xx Temperature Sensor Designer’s Guide[EB/OL], Rev. 0.1, Silicon Laboratories,[2019-06-03]. https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/AN1026-Si70xx-Temp-Sensor-Designers-Guide.pdf.

　　[5] I2C[EB/OL], Wikipedia ,Retrieved, 2019-6-3.https://en.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C.

　　[6]UM10204-I2C-bus specification and user manual[EB/OL].Rev.6，NXP，(2014-04-04)[2019-06-06].https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf.

　　[7]VALDEZ J,BECKER J. Slva704-ApplicationReport-Understanding the I2C Bus [EB/OL]. TexasInstrumentsIncorporated, PP.5-8,(2015-06)[2019-06-06].http://www.ti.com/lit/an/slva704/slva704.pdf.

　　[8]I2C_bus_specifications_V2_0[EB/OL],V2.0,2016:p.6.https://espace.cern.ch/CMS-MPA/SitePages/Documents.aspx.

　　[9]MARK W Si7051 Temp Sensor[EB/OL].(2017-01-10)[2019-06-12].https://www.matrixtsl.com/mmforums/viewtopic.

　　php?t=19613.

　　[10]STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0[CP/OL],V3.5.0,STMicroelectronics,(2011)[2019-06-01].https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcu-mpu-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-libraries/stsw-stm32054.html

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第69頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。