溫度變送器廣泛應用于工業中需要測溫的場合，但傳統的溫度變送器是四線制、非智能化的，其精度、穩定性、可靠性較低，并且難以調試和維護。隨著微電子技術的發展，兩線制溫度變送器的智能化勢在必行[1]。
　　
　　智能化兩線制溫度變送器測量精度高、穩定性好，但研制的關鍵是必須解決低功耗和線性化處理以及抗干擾問題，尤其是在4mA～20mA的傳輸規范要求下，如何保證電流為4mA時溫度變送器還能正常工作。目前市場上的兩線制溫度變送器，在非線性處理、抗干擾方面仍然存在一些不足。為此，本文提出采用高性能單片機LM3S101，結合儀表放大器AD620和A/D轉換芯片AD7457，設計新型的兩線制溫度變送器。
　　
　　1系統硬件設計
　　
　　1.1系統總體結構及工作原理
　　
　　兩線制溫度變送器的總體結構如圖1所示。傳感器對信號源所產生的信號進行采集，然后通過放大器對信號進行放大處理，再由A/D轉換模塊完成A/D轉換，轉換后的數字信號，通過微控制器進行數據處理，zui后再通過V/I轉換模塊把線性反映溫度變化的信號，調制成電壓信號后轉換成相應的4mA~20mA電流信號，通過兩線輸出，將兩線接入儀表，由儀表顯示。整個系統可以分為信號采集模塊、信號放大模塊、數據運算模塊和V/I轉換四大模塊。
　　
　　1.2橋路測溫原理及線性化
　　　　
　　1.3模擬信號放大
　　
　　本設計采用了AD620儀表放大器對橋路輸出的模擬信號進行放大。儀表放大器是在有噪聲的環境下放大小信號的器件，其本身具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、寬電源供電范圍及小體積等一系列優點，其利用的是差分小信號疊加在較大的共模信號之上的特性，既能夠去除共模信號，而又同時能將差分信號放大。儀表放大器的關鍵參數是共模抑制比，這一性能可以用來衡量差分增益與共模衰減之比，主要應用于傳感器接口、工業過程控制等領域。AD620是一種低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1~1000。因為二線制溫度變送器的zui低電流為4mA，在4mA條件下必須能夠正常工作，這就對器件的功耗要求比較高。而AD620zui大的工作電流僅為1.3mA，功耗非常低，可滿足低功耗的要求。此外，AD620具有很高精度，它的zui大非線性度達到了40ppm，并且具有低失調電壓和低失調漂移特性。所以本設計選用AD620作為電壓信號的儀表放大器。AD620的應用電路如圖4所示。
　　
　　如圖4所示，AD620通過設置RG來調整增益，并且具有非常好的共模抑制比。線性化橋路的輸出電壓Vout1連接到AD620的管腳2，作為輸入電壓信號，AD620管腳3連接到管腳6的輸出作為反饋。VS作為AD620的工作電壓。Vout2為電壓信號放大后的輸出，進入A/D轉換芯片AD7457，并將其轉換成數字信號，送入微控制器。
　　
　　1.4A/D轉換
　　
　　由儀表放大器放大后的電壓信號，需要經過A/D轉換成數字信號送入單片機。本設計選擇TI公司生產的A/D轉換芯片AD7457。AD7457芯片為12位低功耗、逐次逼近型（SAR）模數轉換器，采用偽差分模擬輸入，工作電壓為2.7V~5.25V單電源，功耗非常低（zui大為0.9mW）。轉換過程和數據采集過程通過CS及串行時鐘進行控制，為器件與微處理器或DSP接口創造了條件。
　　
　　1.5LM3S101控制芯片
　　
　　LM3S101微控制器是基于ARMCortex-M3控制器，它將高性能的32位計算引入到對價格敏感的嵌入式微控制器應用中，能夠方便地運用多種ARM的開發工具和片上系統（SoC）的底層IP應用方案。微控制器使用了兼容ARM的Thumb指令集Thumb2的指令集來減少存儲容量的需求，并以此達到降低成本的目的。LM3S101具有14種中斷并具有8個優先等級、單周期Flash、兼容ARMFirm的看門狗定時器、同步串行接口（SSI）和較低功耗等特性。與一般的PIC、AVR、C51單片機相比，在穩定性、數據處理、抗干擾等方面，更具優勢。所以選擇LM3S101作為處理數據的微控制器。LM3S101控制輸出部分的電路設計如圖5所示。
　　
　　如圖5所示，XTR116u是4mA~20mA電流環路發送器，可以傳送模擬4mA~20mA電流信號，符合工業電流環的標準；可提供電流刻度，并具有限定輸出電流的功能。A和B為供電電壓，由AD620放大后的電壓信號VOUT2接入AD7457的管腳7，再由AD7457轉換成數字信號，送入LM3S101芯片24管腳處，經LM3S101芯片數據處理后，由19管腳輸出。XTR116u將LM3S101芯片處理后的信號轉化成標準的4mA~20mA電流，由1和2兩線輸出，zui后將1和2兩線接入到儀表，并由儀表顯示。
　　
　　1.6功耗計算
　　
　　AD7457芯片在工作電壓為3V的情況下，zui大功耗為0.9mW，zui大工作電流為0.3mA。LM3S101消耗電流為2mA（工作電壓3.3V）。AD620zui大工作電流為1.3mA，XTR116u芯片的zui大消耗電流為200μA，其他元器件zui大總消耗電流約0.2mA，所以總消耗電流為：0.3mA+2mA+1.3mA+0.2mA＝3.8mA<4mA，滿足了工作要求。
　　
　　2軟件設計
　　
　　系統軟件的設計包括：初始化及主程序模塊、數據采集模塊、數據處理及傳送控制輸出模塊。其中數據采集過程中進行了濾波處理，處理了一些非正常的數據信號。數據采用多次采樣求平均值的算法對采樣值進行處理[4]，在數據處理中進行了線性化的軟件設計，zui后信號用PWM方式輸出。軟件設計流程圖如圖6所示。
　　
　　實驗中，取0~200℃之間的理想曲線，將式（3）迭代函數在Matlab中編程，得到理想曲線；在0~200℃之間，每隔5℃取一采樣值，與理想阻值比較，并將采樣點連接。實驗結果如圖7所示。由圖可以看出，采樣所得曲線與理想曲線基本吻合，度高。
　　
　　本文介紹了基于LM3S101單片機的新型二線制溫度變送器，在設計過程中對測溫橋路進行了線性化的改進，并采用高性能單片機LM3S101對數據進行處理，使其測溫結果精度高、抗*力強、穩定性好。由于采用兩線制，降低了成本，因而在工業生產中得到了廣泛應用。
　　
　　參考文獻
　　
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　　[3]徐軍，李欣.基于PIC16F877的新型二線制變送器[J].儀器儀表學報，2003，24（4）：154-156.
　　
　　[4]郝祖龍.基于HART總線智能變送器的電源分析與設計[J].現代電力，2005，22（6）：53-56.
　　
　　[5]COHENT.Leadershipchallengesinclinicalandinformationservices[J].BiomedicalInstrumentationandTechnology，2003，37（4）：259-262