电子产品世界

　　王昌世（南昌温度测控实验室，南昌 330002）

　　摘 要：热电偶(TC)测温是温控仪必备的功能。TC测温需进行冷端温度补偿，补偿的精度决定着TC的测温精度。本文要介绍的就是用Si7051所测量的TC冷端温度，来对TC进行温度补偿，使TC的测温精度能达到或接近0.1度℃。重点是讲述用STM32F103CBT6单片机从I ² C总线读取Si7051芯片中的温度编码值，即编程。涉及TC补偿原理、Si7051与STM32单片机的I ² C接口电路与和程序流程。

　　关键词：高精度热电偶补偿；Si7051；STM32F103；I ² C总线；程序流程

　　Si7051是一款较新的、性价比较高的器件，虽批量价仅为10 元/片,可经试用，其对TC补偿的作用却很大，很有效。但目前，在国内未见相关应用介绍（经网上检索）。想必，此文的创新应用，会助力国内TC测温技术的进步。

　　1 补偿原理

　　把TC的两端分为冷端（接入线路的那一端）和热端（测温对象所在端）。令TC冷端温度为 Ct ，TC的输出温为 Tt ，则TC的热端温度（即测量温度）Mt Ct Tt = + 。补偿的关键在于冷端和Si7051感温尽可能做到同温。假如不完全相同，则应注意这个温差校正。

　　此前，我们用LM75A温度芯片测量 Ct 。但由于它的精度较低（在-20 ℃～+100 ℃全量程范围，最大误差达2 ℃，分辨率为0.5 ℃（即，其小数位只能是0或0.5）），使得Mt值不仅包含同样的误差，而且时常有0.5℃的跳变。这使得温控仪达到0.1℃的控温精度变得不可能。

　　2 Si7051介绍 ^[2]

　　此芯片由美国Silicon Labs(即芯科科技)公司生产，已先后发布8个版本，最新的1.15版，在2018-09发布。

　　2.1 主要性能特征

　　1）高精度。测温精度分3段：

　　±0.1 ℃: +35.8 ℃～41 ℃（人体温度范围）；

　　±0.13 ℃: 20.0 ℃～70.0 ℃（准环境温度范围）；

　　±0.25 ℃: –40 ℃～+125 ℃（全量程）。

　　第2段是温控仪（TC冷端）所在环境最常见的温度范围。

　　2）体积小，引脚少；

　　3 mm × 3 mm × 0.8 mm，DFN(Dual flat No-lead，即双平面，无引线)封装。6个引脚，见图1。它的小的体积使其在用做温度补偿用时，易于在电路板（即PCB）上和TC的冷端一起放置；而在做人体（或其他对象）温度计时，整体的体积可以很小。

　　3）接口电路的外围元件少，接口简单；

　　仅有1个去偶电容和2个上拉电阻。虽有6个引脚，但对外连线只有4根。DNC引脚可悬空或连到VDD脚。见电路图2。

　　4）背面有感温金属平面；

　　大小为1.5 mm × 2.4 mm，见图3。这个面能使它很好地感受TC冷端的温度，达到与之同温的目的。

　　3 电路设计

　　单片机选用STM32F103CBT6，它自带有I ² C总线，这使得相关接口（包括编程）相对简单。见图2。原理图虽不复杂，但作为TC 补偿元件，要做到它和TC冷端准确同温,却并非易事,我们也是经过多次改进,才达到的。具体做法是：①单独做一块小的PCB板（双面，11 mmx7 mm，见图3），通过插针与主板相连。在小板上，Si7051背面的感温面下要开孔, 使感温面能和冷端相对、相通。孔的大小稍小于感温面。注意看图3。②此小板和和TC冷端并立在一起放置，并且要远离板上的其他热，见图4。图中，3线（棕、红和黑3色）插头是TC的冷端线，左边立着的就是Si7051小板。③小板和TC冷端附近约30 mmx7 mm的PCB板区域内不敷铜，以免多传热。

　　4 编程

　　编程本文的要点。

　　4.1 理解图4的时序

　　文献^[2]给出了读取Si7051芯片的温度编码的I²C时序图（经英译中）。此时序图从左到右，分成了19个段（数字所示）。

　　此图所涉及的相关技术术语参见文献^[3-7]。几点说明如下：

　　1）图中的“主”是指主设备；从是指从设备（下同）。

　　2）第2段是“从地址”，指的是Si7051的从地址0x40；

　　3）第3段是“主将要写操作”，指的是，在I²C总线上，出现Si7051的从地址0x40后，主设备是要发送一个字节数据（第5段的0xf3）。注意这一段是一个位（bit）段且为0值，它附在第2段的0x40后面（100000B+0B= 10000000B）形成最终的0x80写地址字节（与0x81的读地址（如，第8、9段组合）对应。这一点很重要，编程时不要误写为0x40。

　　4）第9段是“主将要读操作”，指的是.在I²C 总线上，出现Si7051的从地址0x40后，主设备是要从设备里读取数据。这也是一个位段，但值为1，它附在第8段的0x40后面（100 0000B+1B=10000001B）形成最终的0x81读地址字节。

　　5）第10段是“非应答（即NACK）”。对Si7051来说，这是一个特殊的位信号，它会一直持续高电平，直到片内的A/D转换结束。从这个信号发出算起，Si7051开始一次测温的A/D转换过程，具体转换时间见参考文献^[2]的第4页的表2。 本程序用12ms延时来处理。程序在12毫秒后,继续到第11段。

　　6）完成这个时序的全部操作后，得到的紧紧是2个字节（14位，最低2位不用）编码，而不是温度的实数值。实数温度（℃）= （175.72×温度编码 / 66636）-46.84（式1） ^[2] 。

　　4.2 流程图

　　用IAR7.2.05工具及ST（即意法半导体）公司在2011年发布的3.5.0的库函数（一直未变）。该库函数包含了32个I²C相关函数和诸多变量定义，可选择使用，本程序用了其中的10个函数。

　　图6是依据图5的时序来编制的。有3点须说明：*相关函数注解详见3.2.1。**限于篇幅，只用了一个菱形判断图作为示例，其他判断处未用，但包含的流程相同,即如果不成功,则反复调用判断函数,直到成功。***延时程序一般是自编的，不调库函数,以便准确控制延时时间。

　　4.2.1 图6相关库函数说明

　　这里的序号即是图6中的中函数编号一致。

　　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，图中的函数I2C_Configuration()通常是根据需要自编的，不是库函数。

　　(1) 主程序Void Read_Si7051_Temperature(void)；

　　(2) 子程序 读Si7051温度编码并计算摄氏温度u8 I2C_Read(I2C_TypeDef *I2Cx，u8 I2C_Addr，u8 data，u8 *buf,u16 num)

　　5 结论

　　Si7051装在线路板上，精度高、运行稳。下面是一组实测数据（表3）：

　　测试条件说明：①地点：办公室，对环境温度测试；②工具：实验室开发的SCTC温控仪；RKC CH402图6. 读Si7051温度编码的程序流程图(1) 主程序Void Read_Si7051_Temperature(void)；(2) 子程序 读Si7051温度编码并计算摄氏温度u8 I2C_Read(I2C_TypeDef *I2Cx，u8 I2C_Addr，u8 data，u8 *buf,u16 num)

　　日本产温控仪，其上无小数显示（对热电偶）。测试分析：仪器每秒对Si7051和热电偶同步采样一次，数据记录间隔是2 min。在18 min内，Si7051测温仅变化31.53-31.47=0.06(℃)，多数时间，只在小数点后第2位上有变。表明其精准、稳定。SCTC测温也仅变化30.53-30.20=0.33(℃)。这里，Si7051的测量的温度要高于SCTC仪及RKC仪的测量温度是因为PCB板上的气温要高于一般环境温度。

　　以后还将一如既往地关注、实施温度测控领域的新元件的应用，并把相关的研发成果及时在专业刊物上发表，为我国自动化仪表的发展出一分力。

　　参考文献

　　[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

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第01期第69页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 202001 高精度热电偶补偿 Si7051 STM32F103 I 2 C总线 程序流程