最近整理了一套给 HVAC 项目用的温度采集小系统，主控是 STM32L031C6，测温前端用的是 ADS122U04IPWR。这套组合实际跑起来相当稳，也解决了不少工业温度采集里的实际问题。ADS122U04IPWR 是一颗 24 位 Δ-Σ ADC，最大特点是带 UART 接口，内部集成了 PGA、低漂移基准和可编程激励电流源，接 PT100、PT1000 这类电阻式传感器特别顺手；STM32L031C6 则是 ST 低功耗 Cortex-M0+ 系列，32KB Flash、8KB SRAM，跑一个 UART 测温协议非常轻松。这套组合不只适合 HVAC 的风管、水管温度采集，稍微改一下测温范围也能覆盖大部分工业温度变送器的需求。我把选型、硬件、固件、现场调试这几个环节完整跑了一遍，其中有些细节翻手册翻了几遍才想明白，下面直接讲能落地的做法。

1. 这套组合为什么适合工业 / HVAC 温度采集

1.1 从温度和信号幅度反推 ADC 选型

先看应用端的要求。HVAC 里最常见的测温场景是冷冻水管、冷却塔回水、风管送风温度，范围基本在 0 到 100℃ 之间，偶尔要测 -20℃ 的防冻液；工业现场则会更宽一些，可能要测到 150℃ 甚至 200℃。这些场合用 PT100 或 PT1000 最稳妥，精度高、长期稳定性好，比 NTC 热敏电阻靠谱得多。

温敏电阻的输出信号非常小。PT100 在 0℃ 时是 100Ω，到 100℃ 时约 138.5Ω，温度变化 100℃ 对应的电阻变化只有 38.5Ω。如果激励电流取 500µA，电压变化大约是 19.25mV，这个信号直接送 ADC 等于浪费分辨率。所以前端必须带可编程增益放大器，把毫伏级信号放大到接近 ADC 满量程。ADS122U04IPWR 内部集成 PGA，增益最高 128，24 位 Δ-Σ ADC 对 0.01℃ 级别的分辨目标是足够冗余的。

我实测下来，PGA 增益取 16 或者 32 比较合适。以 PT100 在 100℃、激励电流 500µA 为例，RTD 上压降约 69.25mV，经过增益 16 后是 1.108V，信号利用率不错；如果增益取 128，信号饱和风险变大，而且对电源噪声更敏感。这里选 24 位 ADC 的意义不在于把 24 位全部用满，而在于低噪声前端和数字滤波能力。

1.2 UART 接口在隔离和布线上的实际优势

ADS122U04IPWR 和常见的 SPI 接口 ADC 相比，最特别的点就是 UART 接口。SPI 要接 CLK、MOSI、MISO、CS 四根线，隔离难度高，走线距离长一点就容易出现时序问题。UART 只要两根信号线，随便一个几毛钱的光耦或数字隔离器就能跨隔离墙，工业现场把模拟前端和主控隔离开非常常见。

另一个实际好处是，UART 本身对时序要求不高，波特率设 9600 或 19200 时，线缆拉几十米问题不大。ADS122U04 支持主机和从机两种 UART 模式，我最常用的做法是把 STM32L031 当主机，按需要向 ADC 发命令读取转换结果。这样 STM32 可以在两次读取之间进入低功耗状态，配合 L031 的 LPUART，非常适合做电池供电的无线温度传感器。

STM32L031C6 虽然是入门级低功耗芯片，但它有 32KB Flash，跑一个简单的状态机和温度换算算法绰绰有余。ADC 负责模拟量采集，MCU 只做通信和计算，不需要额外用 STM32 内部 12 位 ADC 去硬凑精度。

2. 硬件电路：从引脚连接开始把地基打好

2.1 最小系统接线和电源处理

ADS122U04IPWR 的供电分成模拟和数字两部分。我把 AVDD 接 3.3V，DVDD 也接 3.3V，因为 STM32L031C6 工作在 3.3V，这样 UART 电平直接匹配，不用做电平转换。模拟电源要干净，AVDD 引脚前加了一级 10Ω 电阻加 10µF 电容的 π 型滤波，靠近芯片引脚再放一个 0.1µF 的陶瓷电容。数字电源 DVDD 单独放 0.1µF 去耦即可。

STM32L031 的 USART 引脚我用 PA2 作为发送、PA3 作为接收，分别接 ADS122U04 的 RXD 和 TXD，注意是交叉连接。实际接线表大致如下：

如果是电池供电产品，建议在 AVDD 前用低噪声 LDO，不要直接拿 DC-DC 输出给 ADS122U04，否则高频纹波会直接耦合到模拟测量结果里。HVAC 柜内 24V 供电转 3.3V 时，我习惯用 TPS7A 系列 LDO 或者 AMS1117，效果都能接受，关键是后端滤波要做好。

2.2 RTD 传感器的两线、三线与四线接法

RTD 接线方式直接影响测量误差，这是硬件设计里最容易犯迷糊的地方。两线制最简单，但激励电流回路上的两根引线电阻全部串联进测量回路。PT1000 灵敏度约 3.85Ω/℃，如果两根引线电阻一共 0.5Ω，带来的温度误差约 0.13℃，线一长误差就很明显。两线制只适合短距离、对精度要求不高的场景。

三线制是工业和 HVAC 的主流。它的原理是用一根导线承载激励电流，另外两根导线分别走测量高边和测量低边，配合 ADC 内部多个 IDAC 电流源做补偿，可以把大部分引线电阻误差抵消掉。四线制精度最高，在 RTD 根部用独立的四根线，两根给电流、两根测电压，完全没有引线电阻影响，但成本高，主要用于计量级设备。

实测下来，三线 PT100 配合 ADS122U04 两个 IDAC 电流源，在 50 米屏蔽双绞线条件下，温度误差可以控制在 0.2℃ 以内。这个精度对 HVAC 的换热站控制完全够用。如果只是做机房环境温度监测，用两线 PT1000 加校准也可以，省一根线，成本更低。

2.3 比例测量是怎么把温漂“消掉”的

ADS122U04 内部有两个可编程激励电流源 IDAC，这是做 RTD 测量的关键资源。我推荐的做法是把 IDAC 电流同时送往 RTD 和一个外部精密参考电阻 R_REF，用 R_REF 两端的压降作为 ADC 的参考电压。这种做法叫比例测量，推导出来非常漂亮。

ADC 转换结果是输入电压与参考电压的比值：

code / (2^23 - 1) ≈ V_RTD / V_REF

V_RTD = I_IDAC × R_RTD，V_REF = I_IDAC × R_REF，代入后 I_IDAC 直接从公式里约掉了：

R_RTD ≈ (code / (2^23 - 1)) × R_REF

这意味着激励电流源本身的温漂、长期漂移都不会进入最终结果，只要 R_REF 足够稳定，测量就有保证。这是很多新手容易忽略的点，直接用内部 2.048V 基准做参考也能测，但那个 2.048V 基准的温漂和 IDAC 电流温漂会组合起来，误差比比例测量大一个量级。

R_REF 选型上，建议用 0.1% 精度、温漂系数 5ppm/℃ 的金属箔或高精度薄膜电阻。R_REF 取 2kΩ、IDAC 取 500µA 时，参考电压正好 1V，PT100 在 100℃ 经过 PGA 16 倍放大后约 1.1V，信号利用率好，也不容易削顶。

3. 固件开发的三个关键环节：寄存器、通信、换算

3.1 ADS122U04 寄存器配置的几个关键参数

ADS122U04 的寄存器配置要通过 UART 命令写入，配置点无非是输入多路选择器、PGA 增益、数据速率、IDAC 电流和参考源。这里最需要注意的是命令帧格式，不同版本的芯片命令码可能有细微区别，量产前必须对着最新数据手册核对。

我的一套典型配置思路是这样的：输入通道选择 AIN0-AIN1 作为差分对，接三线 PT100；PGA 增益设 16；数据速率设 20 SPS；IDAC 电流设 500µA；参考源设为外部参考，也就是上文的 R_REF 接法。20 SPS 这个速率对 50Hz 工频干扰有很好的抑制效果，HVAC 现场电机、变频器很多，用这个速率比 1000 SPS 稳得多。

配置完寄存器之后，建议马上读回一遍做校验。UART 通信一旦受到干扰，写进去的寄存器值可能是错的，如果直接进入测量流程，报了错误温度很难排查。我在代码里加了读回比对，校验失败就重新初始化，简单可靠。

3.2 STM32L031 的 UART 通信代码与出错处理

STM32L031 的 UART 配置不复杂，波特率设 9600、8 数据位、无校验、1 停止位。下面是主程序调用 ADC 读取的函数框架，命令字节和状态字节的使用以手册为准，代码保留宏定义方便对照查阅。

#define ADS122U04_CMD_READ 0x20 /* 示例值，请按数据手册确认 */ #define ADS122U04_STATUS_ERROR 0x01 typedef struct { uint32_t raw; /* 24 位原始转换码 */ uint8_t status; /* 状态字节 */ } ads_result_t; static void uart_send_byte(uint8_t data); static uint8_t uart_recv_byte(void); ads_result_t ads122u04_read_conversion(void) { ads_result_t res; uint8_t rx[4] = {0}; uart_send_byte(ADS122U04_CMD_READ); rx[0] = uart_recv_byte(); rx[1] = uart_recv_byte(); rx[2] = uart_recv_byte(); rx[3] = uart_recv_byte(); res.raw = ((uint32_t)rx[0] << 16) | ((uint32_t)rx[1] << 8) | rx[2]; res.status = rx[3]; return res; }

主循环里不要无脑一直读，建议 500ms 或 1s 采一次，中间让 MCU 进入低功耗或做别的事。如果发现状态字节里报错了，要对这次数据打上无效标记，而不是照样换算温度。这样上位机拿到数据时，不会被一个跳变的坏点误触发报警。

3.3 原始码换算成摄氏度的完整链路

拿到 24 位原始码后，第一步是换算电阻。以比例测量为例，满量程码是 0x7FFFFF 即 8388607，所以：

R_RTD = (raw / 8388607) × R_REF

这个值再换成温度，可以用查表法，也可以用 Callendar-Van Dusen 方程。我比较推荐查表法，把 PT100 的 ITS-90 分度表做成一个 const 数组，每 1℃ 一个点，用二分查找定位，再线性插值。STM32L031 的 32KB Flash 存这个表毫无压力，代码也容易做离线校准。

如果不想查表，0℃ 以上范围可以用简化二次方程：

R = R0 × (1 + A·T + B·T²)

其中 A = 3.9083×10⁻³，B = -5.775×10⁻⁷。反推温度就是解一元二次方程，用 C 语言实现如下：

float pt100_resistance_to_temp(float R, float R0) { float A = 3.9083e-3f; float B = -5.775e-7f; float disc, T; disc = R0 * R0 * A * A - 4.0f * R0 * B * (R0 - R); if (disc < 0.0f) { return -273.0f; /* 无效数据 */ } T = (-R0 * A + sqrtf(disc)) / (2.0f * B * R0); return T; }

这里 R0 是 0℃ 时的标准阻值，PT100 取 100Ω，PT1000 取 1000Ω。公式在 0 到 200℃ 范围内实测误差很小，工业和 HVAC 足够用。更严格的场合就查分度表，误差可以压到零点零几度。

4. 实测中反复踩到的坑：通信、精度与低功耗

4.1 UART 通信乱码与开机时序问题

ADS122U04 上电后需要时间稳定内部基准和 IDAC。我最初调试时，STM32 复位后立刻发命令，经常收到一堆乱码或者 0xFF，后来在初始化前面加了 20ms 延时，问题消失。这个延时必须放在 ADC 供电稳定之后，而不是放在 UART 初始化之前，顺序错了效果打折。

另外要注意 UART 引脚的上电状态。STM32 的引脚在复位期间如果被配置成输出高电平，会向 ADC 的 RXD 脚灌入一个毛刺，ADC 可能误判成启动命令。解决方法是先配置 GPIO 为输入，初始化完 UART 之前再加一个短暂延时，让线上电平稳定后再开启外设。这一步在低功耗唤醒时同样重要。

HVAC 柜内动力线多，UART 走线最好加 100Ω 串联电阻和 TVS 管，防止插拔时静电打坏芯片。如果 STM32 和 ADC 之间距离超过 30cm，建议用双绞线并降低波特率到 4800，实测可靠性更好。

4.2 温度读数漂移和高频噪声的排查

最典型的症状是温度值缓慢漂移，而且断电重启后漂移位置不一样。优先怀疑 R_REF 温漂和 RTD 引线补偿不到位。R_REF 如果用了普通贴片电阻，随着板子温度上升阻值变化，直接叠加到结果上就是零点几度的漂移。换成低温漂电阻后，问题基本消失。

读数最后几位跳变属于正常现象，24 位 ADC 的有效精度会受到热噪声影响。软件上做 8 次移动平均能明显改善，代价是响应变慢，HVAC 的场景完全可以接受。如果跳变幅度过大，比如超过 0.1℃，先查电源纹波，再查数据速率是否设得太高，最后检查屏蔽层接地。

还有一种情况比较隐蔽：三线 RTD 的第三根线没接对位置，或者引线压降没有正确补偿，温度会随线缆长度产生固定偏差。这种偏差跟温度大小有关，很难通过简单偏移校准，必须从接线结构上解决。

4.3 低功耗模式下的合理取舍

STM32L031 的低功耗能力很强，Stop 模式电流 1µA 以下。配合 ADS122U04 的睡眠模式，做电池供电的无线温度传感器非常合适。但要注意，进入低功耗前先把 UART 的 TX 引脚拉低，避免浮空电平消耗额外电流，也避免 ADC 误识别。

ADS122U04 从睡眠模式唤醒后，最好先读一次状态寄存器确认真空转换完成，再读取数据。我踩过的坑是，唤醒来不及等稳定就直接读，结果第一帧数据是旧数据或者 0，后面才正常。工业应用中，这种错误如果不处理好，会引起误报警。

低功耗设计不要把功耗目标压得太死，否则唤醒周期变长，温度采样的实时性就差了。HVAC 机房温度变化很慢，60 秒采样一次完全够用。采样瞬间把 MCU 和 ADC 都跑起来，处理完马上睡，平均电流能做到几十微安级别。

5. 一组现场数据与 HVAC 部署经验

5.1 用干井炉标定的数据记录

我在一个换热站项目里用这套方案做了现场标定，干井炉从 0℃ 往上走到 100℃，每隔 25℃ 记录一次数据。截取一组测试手记，仅供参考：

这个偏差包含 PT100 传感器本身误差和引线误差，对 HVAC 控制来说完全合格。如果想进一步提高精度，可以在系统里做两点校准，把偏移量和增益误差存到 Flash，实测能把全量程偏差压到 ±0.1℃ 以内。

5.2 现场布线和探头安装的几点经验

风管温度探头要保证风速能吹到感温元件，不能紧贴管壁。水管温度套管要插入管道深度至少 10 厘米，并保证探头周边没有死水区。探头安装完成后，套管外露部分要做保温，否则环境温度会顺着金属套管导热，造成测量偏低或偏高。

信号线远离变频器输出电缆，如果无法避开，交叉时必须直角走线。我见过一个现场，温度线和变频器线捆在一起，开机后温度跳了 2℃，把线分开后立刻正常。屏蔽层必须单端接地，双端接地反而会形成地环路，在雷雨季节更容易出问题。

最后分享一个调试技巧：每次在现场装完，先用万用表测一下 R_REF 实际阻值，把测量值读进程序当作常量使用。PCB 上丝印标称值和实际值总有偏差，哪怕 0.5% 的偏差也会导致最终温度误差超过 1℃，但用实际值校准后，误差能立刻降下来。这个小动作成本为零，但是对精度的影响非常直接。