回焊炉之单芯片温度量测记录器

　　电路板零件自动组装(SMD)的过程，需要事先研究出最佳的回焊炉(reflow oven)温度分布曲线，然后在量产时再将回焊炉温度控制在最佳的分布状况。

　　为了确定温度是控制在事先预期的分布范围之内，必须对电路板上数点做经过回焊炉的温度曲线量测与纪录，这正是回焊炉温度量测纪录器（reflow oven data-logger）的功用。这篇文章将利用松翰科技公司的微控器 SN8P1708 来实际制作一个简单的温度记录器。

　　1. 系统架构

　　＜图1＞系统架构

　　 温度记量测录器主要使用热电偶来量测温度，因为热电偶允许长距离的量测点。整个硬件架构如图1 所示。由于K 型热电偶每度C 的输出电压差约为40μV，所以必须接上一个放大器才能被微控器的ADC 精确量得。热电偶温度计的使用必须将一个参考接合点置于已知的固定温度（如冰浴）之下，这即是热电偶的温度补偿，但这样的方法对于一般工业应用并不可行，所以为了方便使用热电偶必须使用热电偶补偿芯片。这里使用Analog Devices 公司的AD595 来提供补偿电压和同时作线性放大，所以不需要额外配置放大电路，就可以用一般的电表或是微处理器测读电压。

　　微控器SN8P1708 利用ADC 的一个通道来读取AD595 输出的电压，然后再将其利用SPI 串行传输储存于一颗EEPROM 的内存中。整个量测的温度曲线值依时间间隔储存于内存中；量测结束后，拔除热电偶接头，再利用RS232（或者是一颗低速USB 芯片，例如CY7C63742）来和个人计算机联机，将量测结果下载到计算机中。实作的电路图如图3 所示，本文暂时忽略与个人计算机联机下载资料的实作部份。电路图中，请特别注意AD595C（K 型热电偶专用的放大补偿芯片）和AT25128（16 KB 的EEPROM 芯片）的接线方式。

　　＜图2＞系统电路图。

　　2. AD595C 芯片

　　假设K 型热电偶量测接合点与参考接合点的温度分别为TM 和TR，则热电偶的输出电压为：

　　E = EK(TM) － EK(TR)

　　其中，EK(TM)表示K 型热电偶在参考接合点温度为0°C 时的输出电压。

　　如果TR已知，则可以求得EK(TR)，进而利用热电偶参考函数的反函数求出量测接合点的温度：

　　TM = Ek-1[EK(TM) － EK(TR)]

　　当参考接合点的温度为0°C 时，K 型热电偶的量测接合点在25°C 的输出电压为1.000mV，电位差与温度间函数关系的Seebeck 系数约为40μV/°C。Analog Devices 公司的AD595 是专为K 型热电偶仪器设计使用的放大器，是经雷射精调（laser trimmed）的产品，放大倍率为247.3V/V，经过参考点温度补偿电路后，使得输出电压直接为量测点温度的倍数，即经过放大器后输出电压与量测点温度间关系为10mV/°C。更详细的内容可以在Analog 网站http://www.analog.com 中取得AD595 的资料册。

　　AD595C 的输出电压与热电偶输入电压关系式如下：

　　注意，  为实际的热电偶输出电压，而0.04 × TR为冰点补偿电压，电压单位皆为mV，温度单位为°C。如果是以线性的关系来近似，直接把AD595C的输出电压除以10 来转成温度值（即10mV/°C），将有如图3 所示，有不可避免的误差，不过若已知待测温度在0~300°C 之间，则其误差尚可以接受。

　　(a)

　　
(b)
＜图3＞AD595C 之输出与线性化温度的误差。

　　3. SPI 串行型的EEPROM

　　AT25128 为Atmel 公司的EEPROM，具有SPI 传列传输接口。除了Vcc和GND脚外，SPI 传输所需的四支接脚为SO(即MISO)、SI(即MOSI)、SCK、和/CS(即/SS)，其接线法请参考图2。其余二支脚位：/HOLD 脚用以暂停串行传输；/WP脚为0 时，用以防止数据写入状态缓存器。两脚位未用到时，都需要接到Vcc。

　　此芯片具有一个状态缓存器(Status Register)，定义如下（本实作只用到位WEN 和RDY）：

　　状态缓存器(0xxx 0000)

　　而控制EEPROM 的六个指令如下：

　　以下仅列举应用要点，其他事项请到网页http://www.atmel.com/ 中下载Atmel AT25128 的数据册来参考。

　　1. 容量为16KB(128kb)，内存地址为0000h~3FFFh(共4000h 个地址)，因此指定地址时需要2 个bytes。

　　2. 可兼容两种SPI 频率模式: CPOL="0" CPHA="0" ; CPOL="1" CPHA="1"。 [page]

　　3. 传输时最高位先传送。

　　4. 接收写入指令到写入内存中的写入周期约为2ms，因此主装置写入周期不可过短。

　　5. 写入EEPROM 步骤如下 ，直到RDY=0 时才完成一笔数据的写入。

　　6. 写入的地址为起始地址，写入数据从此地址开始往后写入。

　　7. 脚位/CS 的作用主要是讯框同步化(frame synchronization)的作用。一个完整的指令构成一个讯框，闲置时/CS 为高电位，传递讯框前要先把/CS 变成低电位，直到讯框结束后才再恢复成高电位，当/CS 为高电位时，脚位SO 会切换成高阻抗。

　　8. 当EEPROM 收到无意义的非定义指令时，会忽略之，并将SO 设为高阻抗脚，等待/CS 的下降缘，才会把脚位SO 设为输出脚。

　　4. 微控器SN8P1708 的SPI 界面

　　SN8P1708 微控器提供了一个串行传输的引擎，用以达成平行处理（不占用CPU 资源）串行输出入的目的。此通讯接口（SIO）与SPI（Serial Peripheral Interface）兼容，但是为三线式，只有SCK，SI，SO 三脚位；SCK 为频率脚，SI 为数据输入脚接到EEPROM 的SO 脚，SO 为输出脚接到EEPROM 的SI 脚，由于微控器担任主装置的角色，另外需要一个脚位来控制仆装置EEPROM 的/CS，所以设P1.5 为致能EEPROM 脚。SN8P1708 使用一个系统缓存器SIOM 来作SIO 的模式控制，另外有一个数据缓冲缓存器SIOB，和一个供频率定时器用的自动加载缓存器SIOR。串行式通讯接口内部有一个独立的8 位频率定时器SIOC，其无法由程序读写，但是每次溢位时，都会将缓存器SIOR 中所存之值载入来作为计时初始值。这个定时器的频率源为中央处理器的频率，经过除频后才送至定时器。

　　SN8P1708 中SIO 相关的缓存器共有一个模式缓存器SIOM、数据缓冲器SIOB、频率定时器SIOC、自动加载缓存器SIOR。模式缓存器SIOM 的定义如下：

　　TXRX: 0 表示仅作接收资料
       1 表示全双工功能，可传送和接收数据

　　SEDGE: 0 表在频率的下降缘触发(falling edge)
        1 表在频率的上升缘触发(rising edge)

　　Strate1,Strate0: 为串行串输频率定时器预除值dsck

　　START: 0 表传输结束
      1 表立即开始传输，传输结束则自动清为0，并触发SIO 中断要求

　　SENB: 0 表禁能串行传输接口。脚位P5.0~P5.2 为一般输出入脚
      1 表致能串行传输接口。脚位P5.0~P5.2 为串行传输脚

　　数据缓冲器SIOB 用来暂存输出与输入数据缓存器，每当开始全双工串行传输前先将欲送出的资料放到SIOB。当传完后SIOB 会接收到另一端传来的数据。每传完一个字符，SIOB 更新一次，因此每传完一个字符需将接收到的数据自SIOB 取出。

　　最后看频率产生模块SIOC 和SIOR。SIOC 是一个独立的8 位定时器，无法由程序读写，会自动加载SIOR 的值当作计时的初值，开始自动往上数值到溢位时，再重载初值，定时器的频率源fCTS 是CPU 的频率fCPU 经过除频器后才送至定时器，除频器的预除值dSCK 是由模式缓存器SIOM 的Strate1、Strate0来调整，因此串行频率周期 与频率  分别是:

　　注意， 

　　为SIOR 的值，即频率定时器的初值。

　　5. 测试实验

　　测试的电路板依照图2 的电路图制作，其中AD595C 和AT25128 二颗芯片的照片如图4 所示。程序的撰写依照前述的方法，只有模拟转数字ADC 未介绍，这部分请参考e 科技杂志vol. 28, April 2003, p. 18~21 中林锡宽所著的『电动滑板车速度控制器』。

　　(a)   (b)
<图4> (a) AD595C；(b)AT25128。

　　程序启动后，四颗四段显示器显示EEEE，表示待机中。按下『C』键，立即进行从AIN0 脚位读入电压的值，并且储存到EEPROM；如此反复直到预设的次数满为止，这时四颗四段显示器会显示AAAA。再读取电压值时，允许按下『C』键，来暂停读取；暂停中再按下『C』键来恢复读取。显示器会显示AAAA，则可以开始按『F』键来显示下一笔储存在EEPROM 的资料，或按下『F』键来显示上一笔数据。

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　　实际测试是将热电偶置于热水中来进行（见图5），当按下『C』键后，可以看到四颗四段显示器显示653 的数值，即表示目前输入电压为5 × (653 / 4096)= 0.798 V，因为ADC 参考电源为5 V，而分辨率为12 位。整个过程结束后，则显示AAAA。同样的，以市售的热电偶温度计量测，得到80°C。如果以AD595的电压温度关系，直接成上100 就是温度，也可以得0.798 x 100 =79.8°C。二者的结果非常吻合。

　　<图9>实作结果

　　6. 结论

　　本文蒙国科会的大学生参与专题研究计划的完全补助（补助编号：92-2815-C-009 -021 -E）。最后，希望此文能激发工业界的人士尝试研发相关产品。制作实际产品时，需要在ADC 的参考电压脚位上再加上精密稳压器，才可以获得更精确的量测结果。