Высокотемпературный датчик температуры с интерфейсом Microlan

Введение

Семейство микросхем с однопровод­ным интерфейсом Microlan (1-Wire) производства Dallas Semiconductor на протяжении многих лет остаётся инновационным и востребованным на рынке. Популярность данных микросхем столь велика, что поглотившая Dallas Semiconductor компания MAXIM с 2001 года продолжает выпускать знаменитые цифровые датчики температуры (например, DS18B20), кодовые ключи (например, iButton DS1990) и прочие микросхемы массового применения с префиксом DS.

Интерфейс Microlan (1-Wire)

Однопроводной интерфейс 1-Wire, разработанный фирмой Dallas Semi-conductor [1], рекомендован разработчиками для применения в таких приложениях, как:

Преимущества однопроводного интерфейса определяются следующими факторами:

1-Wire-сеть представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных (DATA) и один возвратный (или земляной) провод (RET). Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть применены доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару той или иной категории, и даже обычный телефонный провод. Ограничение на максимальную длину однопроводной линии составляет около 300 м.

Благодаря наличию в составе любого микроконтроллера, снабжённого 1-Wire-интерфейсом, индивидуального адреса, столь же уникального, как и номер денежной купюры (отсутствие совпадения адресов для микроконтроллеров гарантируется производителем), такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом каждый микроконтроллер без каких-либо дополнительных аппаратно-программных модификаций готов к работе.

Микроконтроллеры 1-Wire являются самотактируемыми и программируемыми. В основе обмена информацией между ними лежит управление длительностью импульсных сигналов в однопроводной среде и их измерение. Передача сигналов для 1-Wire-интерфейса – асинхронная и полудуплексная, а вся информация, циркулирующая в сети, воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых микроконтроллеров. Стандартная скорость работы 1-Wire-сети, изначально установленная на уровне 16,3 Кбит/с, была выбрана исходя из обеспечения максимальной надёжности передачи данных на большие расстояния и с учётом быстродействия наиболее широко распространённых типов универсальных микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться в качестве ведущих устройств 1-Wire-шины. Для работы в этой сети выпускается целый ряд устройств, таких как адресуемые АЦП, термометры, часы реального времени, цифровые потенциометры. Кстати, такой же протокол обмена имеют и цифровые ключи iButton (или Touch Memory), которые сейчас широко используются в системах ограничения доступа. Среди перечисленных устройств особое место занимают микросхемы для мониторинга заряда аккумуляторов DS2436 и DS2438. Уникальность их состоит в том, что, наряду с температурным датчиком, в них вмонтированы АЦП [1]. Ниже будет рассмотрено применение микросхемы DS2436 с одним АЦП. Впрочем, предложенный вариант её использования легко может быть перенесён и на DS2438 с двумя АЦП.

Микросхема DS2436 и платиновый датчик

Микросхема DS2436 [3] обеспечивает измерение температуры в диапазоне –55...+125°C с дискретностью 0,03125°C. Кроме того, встроенный 10-разрядный АЦП позволяет измерять напряжение постоянного тока от 3 до 10 В с разрешением 10 мВ. Микросхема выпускается в двух типах корпусов: в 3-выводном TO-92 и 8-выводном SOIC (см. рис. 1).

Чтобы понять, как устроена данная микросхема, рассмотрим её блок-схему, показанную на рисунке 2.

Фактически DS2436 представляет собой программируемый микроконтроллер с блоком управления, ПЗУ, ОЗУ, схемой измерения температуры и преобразованием её в цифровой код, АЦП и однопроводным интерфейсом. Температурный регистр имеет 13-разрядный формат, а регистр напряжения – 10-разрядный. Диапазон измерения напряжения составляет 0…10 В с разрешением 10 мВ, но, поскольку вход напряжения питания микросхемы совмещён с входом АЦП, работоспособность микросхемы сохраняется только при подаче напряжения свыше 2,4 В. Более подробно узнать об устройстве и программировании микросхемы DS2436 можно в её описании [3].

Для измерения температуры в широком диапазоне, как правило, применяются аналоговые платиновые датчики, в частности популярные в последнее время тонкоплёночные платиновые датчики фирмы Heraerus Instruments [2], однако они представляют собой только чувствительный элемент с двумя выводами и для реализации цифрового интерфейса с таким датчиком требуются АЦП, дополнительный микроконтроллер, разработка для него специальной программы и, самое главное, калибровка такого датчика температуры по особой методике.

В данном случае мы воспользуемся сопряжением платинового датчика с 10-разрядным АЦП микросхемы DS2436. Такой вариант, бесспорно, является выигрышным благодаря реализации на одном кристалле прямого преобразования «температура – цифра», не требующего внешних АЦП и других компонентов, калибровки и коррекции характеристик в процессе изготовления, возможности адресации большого числа цифровых датчиков, работающих на одной шине за счёт встроенного цифрового интерфейса Microlan.

При рассмотрении такого сопряжения имеет смысл процитировать формулу изобретения высокотемпературного датчика температуры [4]. Датчик состоит из интегральной микросхемы DS2436, в состав которой входят термочувствительный элемент, АЦП и стандартный цифровой интерфейс Microlan, выход которого является выходом высокотемпературного датчика температуры, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вынесенный в точку измерения платиновый чувствительный элемент, подстроечный резистор, источник питания, первый и второй интегральные стабилизаторы напряжения. Один вывод платинового чувствительного элемента подключён как к входу АЦП микросхемы DS2436, так и к общему выводу первого стабилизатора напряжения и через подстроечный резистор к его выходу. Вход первого стабилизатора напряжения подключён к плюсу источника питания, другой вывод платинового датчика соединён с входом и выходом второго стабилизатора напряжения, общий вывод которого, как и общий вывод микросхемы DS2436, соединён с минусом источника питания.

В предлагаемом высокотемпературном датчике расширен диапазон измеряемых температур до +500°С, реализован цифровой интерфейс Microlan и предельно упрощена процедура калибровки датчика, т.к. микросхема калибруется при её изготовлении.

На рисунке 3 представлена блок-схема датчика, в которую входят микросхема типа DS2436, первый стабилизатор напряжения типа 78L08, второй стабилизатор напряжения типа TL431, подстроечный резистор R_v номиналом 1–3 кОм, платиновый чувствительный элемент R_t типа НМ компании Heraerus Instruments. Данный чувствительный элемент характеризуется высокой линейностью, стабильностью работы в широком диапазоне температур –70…+500°C и имеет сопротивление 1000 Oм (НМ1020) при 0°C (спецификация DIN EN 60751). Самопрогрев не превышает 0,3 мВт/°C при рабочем токе от 0,1 до 1,0 мА.

Рассмотрим работу высокотемпературного датчика температуры. При включении питания микросхема DS2436 инициализируется по стандартному интерфейсу Microlan, и 10-разрядный АЦП начинает осуществлять преобразование в цифровой код напряжения на платиновом чувствительном элементе. Ток через чувствительный элемент стабилизирован первым стабилизатором напряжения 78L08, включённым по схеме стабилизатора тока, при стабилизированном опорном напряжении, обеспечиваемым вторым стабилизатором TL431. С помощью подстроечного резистора осуществляется установка рабочей точки платинового датчика путём сравнения температуры, измеряемой микросхемой DS2436, и температуры, измеряемой предложенным высокотемпературным датчиком, когда платиновый чувствительный элемент находится в непосредственной близости от микросхемы DS2436 (см. рис. 4). На рисунке сверху видна плата сопряжения с датчиком.

Преимуществами предложенного высокотемпературного датчика являются его высокая стабильность, низкая стоимость, простота конструкции и наличие стандартного цифрового интерфейса Microlan.

Литература

1. Бартенев В.Г. Цифровые датчики температуры и их применение. Датчики и системы. 2004. № 12.
2. http://heraeus-sensor-technology.com/en/produkte_1/temperatursensorelemente/elemente.aspx
3. https://pdfserv.maximintegrated.com/en/ds/DS2436.pdf
4. Патент № 151200. Высокотемператур-ный датчик температуры с интерфей-сом Microlan. Бартенев В.Г., Бартенев Г.В., Битюков В.К. по заявке № 2014124976, зарегистрировано в Госреестре 24.02.2015 г.

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!