如果你正在做HVAC项目，想用STM32F100ZE去读温度传感器，十有八九最后会选到ADS122U04IPWR这颗24位ADC。做工业或者空调控制，最怕的就是采集链路不稳定，因为后面PID、联锁、能效统计全指望这一路温度准。ADS122U04IPWR自带可编程增益放大器和激励电流源，又用UART接口与STM32F100ZE通信，在冷冻水流量计、风管温度、压缩机油温和HVAC节能控制里都能直接搭起来用。这篇文章就把这套温度测量链路从选型、原理、电路、固件到抗干扰经验完整捋一遍，适合正在做温控仪表、楼宇自控或工业数据采集的嵌入式工程师参考。

1. 项目思路：为什么是ADS122U04IPWR加STM32F100ZE这套组合

1.1 工业与HVAC测温，真正卡脖子的地方是什么

先说痛点。很多刚接触温度采集的工程师，第一反应是“MCU自带ADC不就行了”。放到HVAC项目里，这个想法很快会被现实教训。PT100在0℃时是100Ω，温度每变化1℃，电阻大约只变化0.385Ω。假设激励电流是1mA，对应的电压变化只有385μV，如果要分辨0.1℃，就是38.5μV。普通MCU的12位ADC，参考电压3.3V时，一个LSB大约是0.8mV，离这个精度差了二十多倍。热电偶更夸张，K型热电偶灵敏度大约41μV/℃，在常温附近测0.1℃也才几个微伏，MCU内置ADC根本没法直接处理。

除了信号弱，工业现场和HVAC机房的干扰也特别讨厌。变频压缩机、风机、水泵、电磁阀这些设备一开，电源线上都是毛刺，地电位也会来回飘。传感器线如果从风管拉到控制柜，走个十几米很正常，沿线会收集到工频、PWM开关噪声和静电放电。所以这类应用需要的不是“一个ADC”，而是一条能抗干扰、能远程通信、能稳定复现微弱信号的完整模拟链路。ADS122U04IPWR这种24位Delta-Sigma ADC，天然就是干这个的。

1.2 选型时我对比过的几颗器件

我在选型阶段对比过不少方案，包括ADS1220、ADS124S08、AD7124-4和ADI的几种Sigma-Delta ADC。ADS1220是便宜，SPI接口，双差分输入，做简单测温没问题，但SPI隔离麻烦，而且还得自己写驱动。ADS124S08通道多、功能全，适合多路采集站，可价格和封装复杂度也上去了。AD7124-4性能很好，软件生态也成熟，但在一些时期供货和价格不太友好。

ADS122U04IPWR这台最吸引我的地方是UART接口。工业现场如果想做长距离传输，UART加光电隔离或者转RS-485都非常顺，比SPI隔离省事很多。它同样内置PGA、两个激励电流源、内部温度传感器和外部基准输入，用来测PT100或热电偶绰绰有余。下面这张表是我当时的对比记录：

最终选UART版本还有一个原因：STM32F100ZE自带多个USART，而且支持DMA，硬件上几乎零成本，对后续做RS485网关也顺手。

1.3 STM32F100ZE为什么够用

STM32F100ZE是Cortex-M3内核，主频72MHz，属于ST的基础型产品。虽然性能上不如F4、H7，但做温度采集绰绰有余。ZE后缀代表144引脚，大容量Flash，具体资源我记得是512KB Flash和32KB SRAM左右，存引导程序、表格和算法都够。它还有多个USART、SPI、I2C、DMA、看门狗和CRC模块，正好对付ADS122U04IPWR的串口通信。

有人会觉得F100ZE老，但温度采集这种活，资源大量富余。我实际用下来，初始化ADC、DMA收数据、做滤波和线性化，CPU负载不到10%。剩下的资源还能跑Modbus协议栈、控制继电器、处理按键和LCD。更重要的是F100系列工作温度范围宽，供货稳定，价格比F103还便宜，在工业/HVAC产品里成本敏感，这就很有优势。

2. 核心原理：一条从传感器到数字量的完整信号链

2.1 从uV级信号到24位数字量

Delta-Sigma ADC的核心理念是“用速度换精度”，内部用极高频率对模拟输入采样，再通过数字滤波器把带内噪声整形掉。跟普通逐次逼近型ADC相比，它对前端抗混叠滤波的要求低得多，非常适合低频、小信号的温度测量。

ADS122U04IPWR内部还有可编程增益放大器（PGA），这是关键。没有PGA的时候，几毫伏的信号直接进ADC，会被噪声和失调吃掉。打开PGA后，信号先被放大，再做模数转换，微小变化就能被分辨出来。以PT100接500μA激励为例，0℃时信号约50mV，100℃时约69.25mV。如果PGA增益设成8，ADC满量程输入范围大约是±0.256V（内部Vref约2.048V时），这个范围刚好让PT100的电压处在中间区域，既不饱和又有足够分辨率。

分辨率这块也要算清楚。24位ADC理论上的最小码，在满量程±0.256V、增益8的情况下，一个LSB约合30nV，远低于PT100在0.1℃对应的电压变化。实际有效分辨率会被噪声限制，但把采样率降到20SPS左右，打开内部滤波器，做到17到18位有效分辨率没有问题，对应温度分辨率能到0.001℃级别，至少是够用了。

2.2 比例测量：同一个电流源解决温漂

温度采集有个容易被忽略的问题：激励电流源本身会随温度漂移。如果我用一个恒流源给PT100供电，再单独用ADC的参考电压去测PT100上的电压，电流源的漂移会直接变成温度误差。解决方法是比例测量。

ADS122U04IPWR可以把外部精密电阻Rref接在ADC的参考输入端，同时让同一个激励电流流过PT100和Rref。这样参考电压就是电流乘以Rref，而PT100上电压就是电流乘以RTD电阻。做除法时，电流那一项被约掉，最终公式变成：

• RTD电阻 = 原始ADC码比例 × Rref

这就像两个人用同一把尺子量东西，尺子自己热胀冷缩了，只要对比的是两者的相对长度，误差就抵消了。比例测量的本质就是这个。外部Rref一定要选低温漂、高精度的金属箔电阻，精度0.1%、温度系数5ppm/℃以下，基本是标配。

如果是三线制PT100，要想抵消导线电阻，还要靠两个激励电流源配合。原理上是用两个等大的电流，分别流过两根相同长度的导线，在线阻上产生的压降相近，ADC差分输入在公共地端把这两个电压减掉。四线制更干脆，用独立的两根感应线去测RTD电压，线路上没有电流，线阻再大也不影响精度。在HVAC现场，如果传感器线超过两三米，我强烈建议至少用三线制，能直接省掉很多现场调零。

2.3 UART接口到底特别在哪

ADS122U04IPWR把SPI换成UART，这件事很多人不理解。实际上在工业现场，UART比SPI实在。SPI需要至少四根线，而且时钟线在长距离传输时非常容易辐射和受扰。UART只有TX/RX两根线，加个光耦或数字隔离器，就能把ADC和MCU的电气地完全断开，地环路噪声直接被切断。

从软件角度讲，STM32F100ZE的USART外设是现成的，配置波特率和DMA就能收发，比模拟SPI时序省事。要注意的是，UART是异步协议，两边的波特率必须严格一致，最好都用外部晶振，别用MCU内部的RC振荡器，否则温度一变，时钟漂移，通信就会偶发错帧。ADS122U04IPWR的UART命令格式也不复杂，基本就是地址字节、命令字节、数据字节的组合，具体寄存器偏移以数据手册为准。搭建系统时可以先发一条复位命令，再读寄存器回读验证通路。

3. 硬件电路设计与实操：HVAC现场最怕走弯路的地方

3.1 PT100和热电偶的最小参考电路

我的最小系统一般这样搭：ADS122U04IPWR供电用3.3V，外部参考用精密电阻Rref接在REFP和REFN之间。电流源IDAC设置成500μA，一路流经RTD，另一路做三线制补偿。PT100按四线制接法，激励电流从RTD一端进，另一端回到地，测量线直接接ADC差分输入，这样导线电阻不参与计算。

具体元件上，Rref选1.5kΩ或2kΩ，低温漂。输入到ADC之间加一级RC低通，比如33Ω加1nF，截止频率大约4.8MHz？这个值其实不够。工程上我更常看到100Ω加1μF，截止频率1.6kHz，能把变频器PWM的高频干扰滤掉。但要注意RC不能太大，否则ADC内部的采样电容充不满，反而引入建立误差。所以实际取值要看数据手册输入模型，通常在数据手册推荐范围里选，别自己瞎改。

ADS122U04IPWR的AIN输入引脚不用时不要悬空，建议接到公共地，防止静电荷积累。另外，激励电流源必须始终有回路，否则会在芯片内部积累电压，导致寄存器配置异常。我开始时犯过这个错，传感器没接就上电配置，读数乱七八糟。

3.2 与STM32F100ZE的接口连接

接口电路本身很简单，关键是引脚映射别搞错。理论上ADS122U04IPWR的UART_TX要接STM32的RX，UART_RX要接STM32的TX。我习惯用USART1做调试，USART2接ADS122U04IPWR，这样调试和采集互不干扰。引脚分配可以参照芯片手册和STM32的AF复用表，具体连接如下：

这里有个细节：如果MCU和ADC距离很近，可以共用一个3.3V电源，但要加好去耦电容。如果ADC在传感器端，MCU在控制端，中间走长线，必须用光耦或数字隔离器。光耦那边要选速率够快的，UART波特率如果跑115200，光耦的传播延迟最好在几十纳秒级别。

3.3 PCB布局、接地与隔离，后面省一半时间

PCB布局上，第一原则是模拟地和数字地不要大面积混在一起。我习惯把ADS122U04IPWR、Rref、输入RC滤波和传感器接口放在同一块模拟区域，数字芯片放在另一侧，模拟地平面和数字地在电源处用磁珠或者0Ω电阻单点相连。不要在ADC底下走数字线，尤其是PWM信号和串口线，这些数字边沿会耦合到模拟输入。

电源去耦也别省。ADS122U04IPWR的AVDD引脚附近放0.1μF加2.2μF陶瓷电容，尽量靠近引脚。STM32F100ZE的电源脚按手册要求布置，所有去耦电容的地回到对应地平面。

隔离要放到系统层面考虑。HVAC控制柜里有变频器，变频器输出线是高电压、高di/dt的干扰源。如果ADC和传感器都在强电柜里，我的做法是：传感器线用屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地；串口两侧加数字隔离，例如用ADuM1201或者国产兼容光耦；隔离后的ADC侧电源用单独的小功率DC-DC，比如B0505S，再接一个低噪声LDO。这样即使控制柜里有大电机，读数也基本不受影响。

4. 固件实现：读数不难，难的是每一步都稳

4.1 STM32F100ZE初始化USART和DMA

固件第一件事是初始化USART。要把STM32F100ZE的GPIO复用成USART功能，TX配置成推挽输出，RX配置成浮空输入。波特率我设115200，数据位8位，无校验，1位停止位。UART连接的是ADS122U04IPWR，两边波特率必须一致，而且时钟源要用外部晶振。

接着配置DMA接收中断。为什么不直接在主循环里读串口？因为ADS122U04IPWR的响应帧不是固定快到能当场读走的，如果主循环在忙别的，UART接收缓冲就会溢出。用DMA把数据搬到内存环形缓冲区，再在中断里解析帧，这样即使采集任务多了也不会丢包。STM32F100ZE的DMA模块配置不复杂，关键是内存缓冲区长度要设成帧长的整数倍，避免帧被拆断。

上电时还要做一次硬件复位。ADS122U04IPWR的RESET引脚先拉低再拉高，延时几毫秒等内部时钟稳定，然后通过UART发送复位命令。复位后最好回读寄存器确认芯片在线，这一步能提前暴露接线问题。

4.2 寄存器配置：PGA、IDAC和采样率的取舍

ADS122U04IPWR寄存器配置顺序一般是：先设置PGA增益和输入通道，再配置激励电流源和参考电压，最后设置数据速率和滤波器。我在PT100工程里常用的一组参数大致是这个意思：

• PGA增益：8倍
• 激励电流：500μA
• 参考电压：外部Rref
• 数据速率：20SPS
• 滤波器：同时抑制50Hz和60Hz
• 输入通道：开差分测量

写寄存器时不要相信默认值。默认增益可能是1，默认电流源可能是关闭，直接读数据会得到一堆无意义的值。我的做法是先读出所有寄存器，打印到串口，然后逐项修改，最后再回读一次，确认全部写进去。

PGA增益和激励电流要配套选。如果RTD阻值大，比如PT1000，就不要用1mA去激励，否则电压接近满量程会限幅。PT100用500μA比较合适，自热也小。如果测热电偶，通常不需要激励电流，而是把PGA增益设到64或128，因为热电偶信号只有几十微伏。

4.3 把AD码换算成温度：比例公式和线性化

数据读回来后是24位有符号数，但不能直接当温度。对比值测量来说，先拿到RTD比例，再乘以Rref，求得实际电阻。公式可以简化为：

• RTD电阻 = AD码比例系数 × Rref

比例系数哪里来？最简单的方法是在固件里保存一个“理想满量程码”，然后做一次软件校准。严格做法是把Rref两端的电压也通过ADC读进来，代码同一条链路，这样电流源的微小变化不会影响结果。我在项目里常用一个简化版：每次开机先读一次Rref通道，得到参考码，之后RTD电阻 = RTD码 / 参考码 × Rref。这个办法很实用。

拿到RTD电阻后，PT100线性化我用Callendar-Van Dusen公式。0℃以上：

• 温度t = (电阻 / 100 - 1) / A，再修正二次项

或者直接代入标准系数：A=3.9083×10⁻³，B=-5.775×10⁻⁷，C=-4.183×10⁻¹²。0℃以上解一元二次方程，0℃以下要解三次方程。程序中我用牛顿迭代法，迭代三次就能收敛到0.01℃以内。整个过程不复杂，但系数一定别写错，否则温度会偏得离谱。

4.4 校准流程：不是所有误差都能靠公式消除

公式只能解决理想情况，实际链路里还有基准电阻误差、PGA失调、ADC失调、导线电阻偏差等。所以产品出厂前最好做两点校准。

第一点是零点校准：把RTD换成精密100Ω电阻，读取AD码，记为offset。理想情况下100Ω应该对应某个码值，偏差就是零点误差。第二点是增益校准：换一个已知精密电阻，比如138.51Ω对应100℃，再计算增益系数。最后软件里对每次测量的电阻做：

• 修正电阻 = (实测电阻 - 零点偏移) × 增益修正系数

校准之后，我实测常温附近能到0.05℃以内的重复性。如果现场只允许做一次校准，我会选在系统实际工作温度附近的单一温度点做校准，再把数据表做平移，效果比乱做两点法好。

5. 工业与HVAC场景里的抗干扰和可靠性

5.1 变频器、压缩机、电磁阀的噪声怎么挡

HVAC的干扰源特别多。变频器输出侧是高电压、高频率的PWM跳变，电磁阀动作瞬间会产生几十伏的感性尖峰，继电器触点火花也能辐射宽带噪声。这些干扰如果进到模拟输入里，轻则末位数跳，重则温度读数来回飘好几度。

我总结的三道防线是：屏蔽、滤波、隔离。传感器线选屏蔽双绞线，屏蔽层在控制柜一侧接地，不两端都接地，避免形成地环路。ADC输入口前面加RC低通，把高频成分滤掉。串口加隔离，让模拟地和数字地彻底断开。做完这三步，绝大多数现场干扰都能解决。

软件里再补一刀：中值平均滤波。比如连续采5个点，去掉最大值最小值，剩下取平均，对付偶发尖峰特别有效。当然滤波会增加响应时间，HVAC系统温度变化本来就慢，几十毫秒延迟无所谓。

5.2 断线、短路检测不能省

现场PT100断线太常见了，接头氧化、线缆被老鼠咬、接线端子松动，都会导致断线。如果固件不做检测，断线后ADC输入悬空，读数可能跳到满量程或者某个奇怪值，然后控制器以为温度很高或很低，触发误动作。

ADS122U04IPWR本身没有专用的断线检测引脚，但可以用偏置电阻方案。在AI N差分输入两端分别加一个高阻值电阻，比如1MΩ，一端接到参考电压，一端接地。正常时RTD电阻只有100多欧姆，1MΩ偏置电阻对分压的影响小到可以忽略；一旦传感器断开，差分输入会被拉到接近满量程，软件判断“测量值超出合理范围”就报断线。短路检测则看读数是否接近零，结合传感器上限判断。

我建议固件里做三档状态：正常、断路、短路，通过状态寄存器上传给上位机。这样运维人员不用去现场拿万用表，直接在触摸屏上就能定位故障。

5.3 长期稳定性：自热、漂移和定期维护

PT100通电流必然自热。500μA激励在100Ω上只有0.025mW，放在水里或金属管里散热好，基本感觉不到。但如果传感器放在不流动的空气里，自热可能造成零点几度的偏大。想减小自热，可以降低激励电流到250μA，代价是信号变小，需要更高增益。实测下来，PT100自热影响远小于热电偶，正常选型不用太焦虑。

长期看，基准电阻会老化，PT100在高温下也会漂移。所以标定周期得看应用，HVAC一般一年校准一次，工业现场如果精度要求高，建议半年一次。每次校准后固件里的零点偏移和增益系数要能在线更新，别写死在Flash里，否则运维人员只能回厂刷程序。

6. 实测问题与排查技巧实录

6.1 读数跳字严重，先查这几个地方

如果现场出现温度读数乱跳，不要急着改软件滤波，先按下面这张表排查硬件。

我遇到最多的是“调速风机一开，温度波动的像心电图”。最后发现ADC输入前只放了10nF电容，没有串电阻，高频干扰直接灌进采样电容。加上100Ω和1μF的RC后，读数立刻稳定下来。

6.2 UART偶发丢帧，不一定是波特率问题

丢帧分两种。一种是单片机能发命令但收不到完整响应，原因往往是时钟源不对。STM32F100ZE内部RC振荡器在全温度范围可能偏百分之几，导致波特率偏移，ADS122U04IPWR那边的采样点错位。解决办法是改用外部8MHz或16MHz晶振，并且把USART的波特率误差控制在1%以内。

另一种是逻辑混乱，比如状态机还没等到完整帧就超时，或者DMA缓冲区覆盖。我习惯在解析层加长度校验和状态位校验，任何一帧不合法就丢弃，不往外发错误数据。如果加了RS485，别忘了首尾终端电阻和A/B偏置电阻，否则总线空闲时电平不确定，丢帧会非常随机。

6.3 几个经验上的避坑记录

• 不要在传感器端子用普通排针，氧化后接触电阻漂移特别烦。HVAC产品里至少用镀金端子，最好用带锁扣的接线端子。
• 焊完板子先测Rref两端实际电压，再设ADC参考。我发现很多“精度差”的故障，其实就是Rref焊错阻值或者虚焊。
• PT100校准时别用冰水混合物，温度梯度太大。有条件就用干井炉或者电桥，没条件就用精密电阻箱，效率和精度都更好。
• 如果同时测多路温度，并把空气温度和水温放同一个接线盒里，要考虑发热器件靠近传感器导致的局部温度场变化。
• 所有传感器线尽量走单独线槽，远离动力线。实在避免不了就用屏蔽层或金属管。

这套ADS122U04IPWR加STM32F100ZE的测温方案，我前前后后在四个项目里用下来，最大的体会是：精度不仅仅取决于ADC是不是24位，更取决于整条链路。传感器接线、基准电阻、电源噪声、布线和固件校准，每一项都可能毁掉那0.1℃。如果你正在做工业或HVAC测温，建议先搭一个最小系统，用精密电阻箱当传感器，把链路调稳后再接现场传感器。这样排查问题集中度高，效率也最高。最后分享一个小技巧：调试时把ADC原始码和最终温度一起打印，问题定位比只看温度快得多。