MSP430TM 마이크로컨트롤러 기반의 온도 감지 솔루션

스마트 시대가 도래함에 따라 전자 산업, 소비자, 홈 자동화 및 기타 분야에서 전자 시스템 사용이 계속 증가하고 있다. 이러한 흐름에 발맞춰 여기서는 마이크로컨트롤러와 일부 외부 구성품을 갖춘 단일 서미스터에서 최신 온도 감지 솔루션에 이르기까지 온도 측정을 위한 여러 가지 옵션에 대해 설명한다.

Dave Smith Texas Instruments

전자 산업, 소비자, 홈 자동화 등의 분야에서 전자 시스템의 용도가 점점 더 확대되고 있다. 이러한 트렌드와 함께 작동 환경 요소를 인식할 수 있는 전자 시스템의 수요가 증가함에 따라 우유를 차갑게 유지시키는 냉장고, 샤워기 물의 적정 온도를 유지해 주는 온수기, 테스트 스트립이 올바르게 작동하도록 주변 온도가 지정된 범위 내에 있는지 판단하는 혈당 측정기 등과 같이, 온도 감지 기술은 우리 생활 어디서나 찾아볼 수 있게 되었다. 전자기기 내에서 온도를 측정하는 데 사용할 수 있는 방법과 디바이스는 다양하다.
여기서는 온도 측정 디바이스를 선택할 때 몇 가지 고려해야 할 사항과 이용 가능한 옵션에 대해 알아본다. MSP 430 마이크로컨트롤러는 초저전력 특성으로 인해 다양한 디바이스 내의 온도를 모니터링하는 데 적합하다.

MSP430 마이크로컨트롤러 기반의 온도 감지 솔루션
온도를 측정할 때는 다양한 관점을 고려해야 한다. 가정용 냉장고의 요구사항과 보일러 및 음료 가공 공장에서 배관을 통해 흐르는 액체를 모니터링 하기 위한 디바이스의 요구사항은 다르기 때문이다. 이전에 적용한 예들의 경우, 휴대전화나 노트북의 하우징 내에서 온도를 측정할 때 발생할 수 있는 문제점과는 전혀 다른 문제점을 갖고 있다. 이러한 각각의 적용 사례는 온도를 측정하는 데 있어서 전혀 다른 조건이 요구된다. 또한 얼마나 뜨거워야 하는지, 어느 부위에서 온도를 측정해야 하는지, 얼마나 정밀하게 측정해야 하는지 등을 고려해야 한다.
우선적인 질문은 “어느 부위”의 온도를 측정하는가이다. 과열 방지를 위해 게임 콘솔이나 컴퓨터 서버의 하우징 내에서 측정해야 하는지, 아니면 기계 내부에 깊숙이 묻혀 있는 배관이나 펌프 안을 흐르는 유액의 온도를 측정해야 하는지 등이다.
가장 적절한 방법은 이용 가능한 온도 측정 옵션의 일부를 확인하고 각각의 장단점을 판단하는 것이라고 생각된다. 센서가 작동하는 방식과 센서들 사이의 트레이드오프에 대한 세부적인 분석은 이 글의 범위를 벗어난다. 그러나 주제에 익숙하지 않은 사람을 위해 간략하게 소개한다. 표 1은 현재 이용할 수 있는 일부 옵션을 간략하게 설명한 것이다.



센서 타입 - 서미스터
가장 일반적이며 가장 저렴한 온도 측정 방법 중 하나가 서미스터(Ther- mistor)를 이용하는 것이다. 가장 단순한 형태의 서미스터는 온도가 변할 때 바뀌는 저항을 가진 온도 의존 레지스터이다. 이론적으로 이러한 반응은 선형이 될 수도 있지만 현실적으로는 그렇지 않다. 현실을 고려하여 비선형성을 수정해야 한다. 주로 MSP430 마이크로컨트롤러의 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 이용하여 룩업 테이블(Look-up Table), 선형 보간법 또는 복잡한 다른 수학적 방법으로 저항을 측정하고 결과를 쉽게 선형화할 수 있다.
서미스터는 표면 장착(Surface- Mount)이나 스루홀 PCB 장착 구성 제품에 이용할 수 있으며 PCB나 밀봉된 하우징 온도 모니터링에 사용할 수 있는 우수하고도 저렴한 옵션이다. 대부분의 산업이나 자동차에 사용할 경우, 서미스터는 간편한 장착을 위해 하우징에 밀봉된 상태로 이용되거나 완전한 온도 프로브로 이용된다.
MSP 애플리케이션 보고서인 SLAA129(슬로브 A/D 변환을 통한 초저전력 서모스탯 실행)에는 저렴한 고정밀 콤퍼레이터 기반의 슬로프 변환 방법을 이용하여 초저전력 서모스탯을 만들 수 있는 서미스터 이용 방법에 대해 설명되어 있다. 이와 같은 실행을 확장하여 다중 캘리브레이션 지점이나 룩업 테이블을 근거로 선형 보간법과 함께 MSP430 마이크로컨트롤러의 통합 ADC 중 하나를 손쉽게 사용할 수 있으며 더 높은 정확성을 얻을 수 있다.





센서 타입 - 열전대
또 다른 일반적인 유형의 온도 센서는 열전대(Thermocouple)로, 두 개의 상이한 금속을 연결하여 제작된다. 이러한 연결이 온도 기울기로 인해 영향을 받게 되면 일반적으로 ㎶s/℃의 10s 범위에서 매우 작은 전압이 발생한다.
열전대는 산업자동화 및 공정 제어 시스템에서 널리 사용되며 서미스터와 같이 비선형 출력 반응을 보이기 때문에 수정이 필요하다. 열전대는 두 지점간 온도차를 측정하여 절대 온도로 표현하므로 통상 냉접점 온도라고 하는 온도 기준을 사용해야 한다. 여기서 서미스터가 많이 사용된다. 열전대 접점의 절대 온도를 선형화하고 계산하는 데에는 다양한 옵션이 존재한다. 이러한 옵션의 대부분은 항상 몇몇 디지털 프로세싱을 요구하지만, MSP430 디바이스 중 하나와 같은 마이크로컨트롤러 내에서 필요한 프로세싱을 쉽게 수행할 수 있다. 요구되는 측정 정확도에 따라 시스템 설계자에게 다양한 옵션이 제공되며, 아날로그 경로 내에서 사용되는 구성품을 선택하는 것은 출력 결과의 품질에 큰 영향을 미치게 된다.
텍사스 인스트루먼트(TI)는 열전대 시그널 체인 옵션을 위한 다양한 옵션을 제공하고 있지만, 여기서는 두 가지에 대해서만 설명한다. 그 중 하나는 MSP430 마이크로컨트롤러와 함께 LMP90100과 같은 전용 아날로그 프론트 엔드(AFE) 디바이스를 이용하는 것이다. 고성능 24bit 시그마-델타 ADC, 일치형 프로그래머블 여기(Excitation) 전류원, 고정형(FGA) 및 프로그래머블 게인 증폭기(PGA)를 제공하는 이러한 고집적 디바이스는 다양한 온도 측정 센서 및 애플리케이션을 위한 완벽한 AFE 솔루션을 제공한다. 그러한 고성능 측정 시스템의 예로 정밀한 모니터링을 요구하는 화학 처리 플랜트를 들 수 있다. LMP90100 AFE는 2선, 3선, 4선 저항 온도 탐지기 센서를 위한 정밀한 입력단으로 사용될 수도 있다. LMP90100 AFE 디바이스에 대한 모든 자료는 TI 웹사이트(www.ti.com/product/lmp90100)에서 확인할 수 있다. 또한 애플리케이션 노트 SNAA134를 통해 사용자는 온도 센서 AFE를 기록 및 처리를 위한 저전력, 원격 온도 센서용 MSP430 마이크로컨트롤러와 신속히 연결할 수 있다.
애플리케이션에 더 낮은 전력이나 더 적은 폼팩터가 요구되며 전용 AFE를 사용할 수 없을 경우, MSP 제품 포트폴리오는 서미스터로 직접 온도를 측정할 수 있는 아날로그 통합을 제공한다. MSP430 마이크로컨트롤러의 주요 특징 중 하나는 고성능 아날로그 빌딩 블록이 통합되었다는 것이다. 이러한 빌딩 블록은 ADC, 디지털 아날로그 컨버터(DAC), 콤퍼레이터 및 연산 증폭기를 포함하고 있다. MSP430 마이크로컨트롤러의 제품 범위 내에는 두 개의 메인 ADC 아키텍처가 사용되며, 시스템 요구 조건에 따라 다른 해상도를 제공한다. 10bit 및 12bit SAR(Successive Approxima- tion Converters)뿐만 아니라 개별 제품 선택에 따라 16bit 및 24bit 시그마 델타 컨버터도 선택할 수 있다.
이러한 아날로그 주변장치를 활용함으로써 더 적은 외부 구성품을 이용하여 시스템을 실행하고 상대적으로 저렴한 시스템 솔루션을 만들 수 있다. 이러한 아날로그 빌딩 블록은 표 2와 같이 요약된다.



MSP 애플리케이션 보고서인 SLAA 216(MSP430x42x로 단일칩 열전대 인터페이스 실행)은 냉접점 보정 열전대를 실행하기 위해 MSP430F42x 디바이스에 포함된 세 개의 시그마 델타 16 ADC 중 두 개가 사용되는 방법에 대해 설명하고 있다. 이러한 ADC에는 단일칩 솔루션을 구축할 수 있는 전용 PGA가 있다. 서미스터를 모니터링하여 냉접점 기준 온도를 측정하기 위해 1의 게인으로 PGA를 설정한 하나의 ADC가 사용된다. 반면, 두 번째 ADC는 열전대 입력을 위해 16의 게인으로 설정한 PGA와 함께 사용된다. 두 센서 모두 마이크로컨트롤러에서 선형화된 후 알려진 냉접점 기준 온도를 이용하여 절대 열전대 온도를 계산한다.
두 번째 보정된 열전대 예시는 애플리케이션 보고서인 SLAA501(ADC12_ A로 열전대 인터페이스 실행)에 나타난 그림과 같다. 이 실행에서 MSP 430F5529 마이크로컨트롤러의 통합된 12bit SAR 컨버터가 사용된다. MSP430F5529 디바이스는 통합된 연상 증폭기를 포함하고 있지 않으므로 외부 게인 스테이지를 사용해야 한다. 선형화 및 절대 열전대 온도를 계산한 결과, 1SPS 온도 검침에 대한 평균 측정 전류는 ∼2.5㎂였다. 그림 3에 소프트웨어 순서도를 나타낸다. 이와 같은 간단한 열전대 시스템의 정확도는 국내 서모스탯이나 빌딩 관리 시스템에서 사용하는 데 충분하다.





센서 타입 - 저항 온도 탐지기
서미스터와 같이 저항 온도 탐지기(RTD, Resistance Temperature Detector) 센서 소자의 저항은 소자가 온도 변화에 의해 영향을 받을 때 변한다.
RTD 소자는 일반적으로 유리나 세라믹 비드 주변에 감긴 한 종류의 순수한 금속선으로 구성된다. TI 애플리케이션 보고서 SNOA481에는 RTD 인터페이스를 실행할 때 고려해야 할 다양한 아날로그 고려사항 및 권고사항 등이 논의되어 있다. 2선, 3선 또는 4선 RTD 센서의 사용 여부에 따라 크게 달라진다. 서미스터, 열전대와 마찬가지로 RTD에 저항하는 온도의 전달 기능 역시 본질적으로 비선형이다. 선형 옵션은 간단한 룩업 테이블 또는 수학 중심적인 다항식을 포함한다.

센서 타입 - 반도체
일부 시장에서 PCB 장착 서미스터의 이용에 대한 대안으로, PCB 수준 온도 측정을 위해 반도체 센서를 이용하는 경향이 증가하고 있다. 아날로그 센서는 이용 가능한 시스템 ADC의 이점을 활용할 수 있고 작은 공간을 요구하며 서미스터에서 요구하는 선형화가 필요하지 않다. 이와 같이 몇몇 센서가 제공하는 디지털 인터페이스를 통해 시스템을 더 단순하게 통합할 수 있다.
프로그래머블 서모스탯 트립 포인트뿐만 아니라 다양한 폼팩터에서의 이용 가능성과 아날로그 및 디지털 출력 기능을 갖춘 디바이스를 통해 시스템 설계자는 디바이스를 유연하고도 적절하게 선택할 수 있다. TI는 100개 이상의 온도 측정 IC 솔루션을 판매하고 있는데, 그 중 3개의 시스템 솔루션 예시에 대해 간단히 살펴본다.

1. 아날로그 출력 반도체
일반적으로 간단하게 사용할 수 있는 또 다른 온도 센서로는 집적 회로 아날로그 출력 온도 센서가 있다. 이 디바이스는 독립식 아날로그 출력으로 사용하거나 초과 온도 오류 이벤트를 플래그할 수 있는 간단한 온도 스위치 출력을 포함하고 있다. IC 아날로그 출력 온도 센서는 선형 전송 기능을 갖추고 있으므로 서미스터와 달리 신호 조건화가 필요하지 않으며, 저렴한 시스템 가격으로 시스템 설계를 간소화하고 설계 주기를 단축할 수 있다.
그림 5는 ADC에 연결된 간단한 고정밀 아날로그 센서(LM94022)이다. LM94022는 1.5V의 낮은 공급 전압에서 작동한다. 클래스 AB 출력 구조는 중부하를 구동하기 위해 LM94022에 강한 출력을 제공하고 싱크 전류 기능을 제공한다. 그러므로 LM94022는 일시적인 하중 요구 조건에 따라 표본 및 유지 아날로그-디지털 컨버터의 입력을 소싱하는 데 효과적이다.



LM94022는 -50℃∼＋150℃의 넓은 온도 범위에서 작동하며 측정된 온도에 역비례하는 출력 전압을 제공한다. 이 제품의 낮은 5.2㎂ 공급 전류는 복잡한 회로를 추가하지 않고도 0.01/℃의 낮은 자체 발열을 제공할 뿐만 아니라 배터리 구동 시스템에 적합하다.
두 개의 논리 입력, 즉 게인 선택 1(GA1)과 게인 선택 0(GS0)은 온도-전압 출력 전달 기능의 게인을 선택할 수 있게 해준다. 또 네 개의 슬로프를 선택할 수도 있다(-5.5mV/℃, -8.2mV/℃, -10.9mV/℃, -13.6 mV/℃). 가장 낮은 게인 구성(그림 5와 같이 낮게 연결된 GS1 및 GS0)에서 LM94022는 최대 -50℃∼＋150℃ 작동 범위에서 온도를 측정하는 동안 1.5V 공급으로 작동할 수 있다. 두 입력을 높게 결합할 경우, 전달 기능은 최대 온도 민감도에 대해 가장 큰 -13.6mV/℃의 게인을 갖게 된다. 이러한 입력은 작동이나 시스템을 진단하는 동안 시스템이 게인을 최적화할 수 있도록 만드는 로직 신호로 구동될 수도 있다.
또 다른 디바이스인 LM57(그림 6)은 통합 아날로그 온도 센서가 달린 고정밀 듀얼 출력 온도 스위치를 포함하고 있다. LM57의 트립 온도(TTRIP)는 2개의 외부 1% 레지스터를 이용하여 프로그램될 수 있다. VTEMP 출력은 온도에 역비례하므로 측정된 온도에 대해 음수 온도 계수를 갖는다. 시스템 조립 후 콤퍼레이터와 출력 회로가 기능하는 현재 위치 검증은 TRIP-TEST 핀을 이용하여 구축된다. 공급원에서 최대 28㎂만 끌어오므로 공기 중에서 약 0.02℃의 매우 낮은 자체 발열 특성을 지닌다. 이와 관련된 상세 정보는 애플리케이션 노트 SNOA547B, AN-1984 LM57 온도 스위치 vs. 서미스터에서 확인할 수 있다.



2. TMP103＋MSP430 마이크로컨트롤러
-40℃∼125℃에서 작동하도록 지정된 TMP103은 1℃의 분해능을 갖춘 저전력(3㎂ 유효 전력), 고정밀(±1℃) 디지털 출력 온도 센서이다. 0.79×0.79mm의 웨이퍼 칩 패키지이므로 스마트폰, 태블릿 및 기타 휴대형 소비자 전자기기와 같은 공간 제약적인 애플리케이션에 적합하다. 이러한 센서의 가장 중요한 이점 중 하나로 사용 편리성을 들 수 있다.
텍사스 인스트루먼트의 다양한 온도 측정 IC와 마찬가지로, TMP103 디바이스는 출고 후 추가적인 캘리브레이션을 요구하지 않는다.
TMP103은 미리 프로그램된 8개의 IIC 어드레스와 함께 이용할 수 있으며 그림 7과 같이 여러 디바이스를 동일한 버스에 배치할 수 있다. 이 디바이스는 스마트폰과 같은 디바이스 내 인쇄회로기판(PCB)에서 온도를 모니터링하는 데 주로 사용되지만, MSP430 마이크로컨트롤러에 그 센서를 연결하여 여러 다른 애플리케이션 공간을 확보할 수도 있다. 예를 들어, TMP103 센서를 MSP430FR57xx 디바이스에 연결하여 혁신적인 초저전력 FRAM(Non-volatile Ferroelect- ric Random Access Memory)을 구현함으로써 초저전력 온도 데이터 로거를 손쉽게 생성할 수 있다.
대부분의 마이크로컨트롤러가 제한된 쓰기 주기 내구성으로 인해 비휘발성 메모리에 저장되는 데이터 포인트의 수를 제한하는 반면, FRAM은 거의 무한대에 가까운 내구성을 가지며 매우 적은 전력을 소비하므로 온도 데이터 포인트를 자주 기록해야 하는 애플리케이션에서 외부 EEPROM을 사용할 필요가 없다.



3. TMP006＋MSP430 마이크로컨트롤러
적외선 온도 감지 IC(TMP006)는 온도 측정에 있어서 새롭고 혁신적인 솔루션이다. 이 디바이스는 물체와 물리적으로 접촉하지 않고도 그 물체의 온도를 측정할 수 있도록 설계되었다.
TI의 혁신적인 MEMS 기술을 이용, 적외선(IR) 방사 에너지는 센서 디바이스 내에서 측정 가능한 효과를 만든다. 통합 아날로그 및 디지털 신호 처리는 이와 같은 방식으로 측정된 방사 에너지를 상대 온도로 바꾸고, 그 후 MSP430 마이크로컨트롤러는 저장된 캘리브레이션 계수를 근거로 절대 온도로 변환한다.
저전력 작동과 낮은 폼팩터를 지닌 이 디바이스는 장비 일부의 케이스 온도 측정이나 물리접인 접촉이 쉽지 않은 품목의 온도 측정 등의 상업 및 산업용 애플리케이션에 적합하다.
TMP006 디바이스를 MSP430 마이크로컨트롤러와 페어링함으로써, 단순하고 휴대할 수 있는 비접촉 온도계인지 또는 산업용 무선 센서 네트워크의 일부인지에 따라 여러 가지 저전력 온도 측정 및 로깅 시스템을 구현할 수 있게 된다.
그림 8은 TMP006 IR 온도 센서 내의 기본적인 블록 다이어그램이다.



4. MSP430 디바이스를 포함한 독립식 온도 감지
여러 가지의 단순한 애플리케이션에서 국부적으로 온도를 검침하기 위해, MSP430 마이크로컨트롤러 내에서 통합 온도 센서를 이용할 수 있다. MSP430 디바이스의 초저전력 특성으로 인해 매우 적은 자체 발열 효과를 나타내며, 주변 공기 온도를 정확하게 표시할 수 있다. 온도 센서 오프셋 및 게인은 디바이스 사이에서 약간의 차이가 날 수 있으므로 애플리케이션에 따라 이러한 요소를 줄이거나 제거하기 위해 개별 디바이스의 캘리브레이션을 수행해야 하는 경우도 있다.
오프셋 변화를 제거하기 위해 단일점 캘리브레이션을 사용할 수 있으며, 필요한 경우 두 번째 캘리브레이션 지점을 추가하여 게인의 변화를 줄일 수 있다. 캘리브레이션을 추가하면 정확성을 더 개선할 수 있다.
그림 9는 두 지점의 온도 캘리브레이션이 이루어지는 방법에 대한 예를 나타낸 것이다. 2개의 온도 테스트 지점을 이용하여 간단한 Y＝MX＋C 직선 방정식을 만들 수 있으며, 이를 통해 사용자는 디바이스간 게인 및 오프셋 변화를 캘리브레이션할 수 있다. 이 방법은 여러 지점과 함께 개별적인 선형 보간 구조를 포함하도록 확장할 수 있으며, 여러 MSP430 디바이스에서 통합된 온도 센서 및 아날로그만 이용하여 높은 정확성을 구현할 수 있다.



지금까지 마이크로컨트롤러와 일부 외부 구성품을 갖춘 단일 서미스터부터 LMP90100 AFE 또는 TMP006 IR MEMS 온도 센서와 같이 최신 온도 감지 솔루션에 이르는, 온도 측정을 위한 다양한 옵션에 대해 설명했다. 거의 모든 경우 어느 정도의 아날로그 신호 컨디셔닝이 필요하며 TI의 MSP430 마이크로컨트롤러와 함께 이용할 수 있는 연산 증폭기 및 ADC로 구축되기도 한다.
이와 같은 디지털 신호는 일반적으로 센서 선형화나 절대 온도 변환을 위한 몇 가지 디지털 처리를 요구한다. 초저전력 소비, 고차원적 아날로그 통합 및 광범위한 개발 에코 시스템을 제공하고 있는 MSP 마이크로컨트롤러 포트폴리오는 현재 다양한 온도 감지 애플리케이션의 요구 조건을 충족시켜 준다.