用NST461-DQNR基于纳芯微评估版设计的温度传感器
一、项目介绍
本项目是使用NST461-DQNR 芯片与纳芯微NS800RT5039评估版搭配十二指针神探设计的一个温度传感器，原理图与PCB绘制均采用KiCad绘制。本项目主要功能包括：读取本地温度和远程温度，串口输出数据，并在串口软件完成温度曲线图绘制.
（二）项目目标
完成基于纳芯微评估版与 NST461-DQNR 模块的硬件系统设计，包括原理图绘制、PCB 布局与制版。
实现目标模拟信号温度的高精度采集，采集精度高。
完成信号的调理、滤波及数字化处理，通过纳芯微芯片的功能实现信号的放大、降噪与传输。
搭建系统测试平台，验证硬件系统的稳定性、可靠性及功能完整性，确保系统在不同工作环境下正常运行。
二、芯片选型
（一）核心芯片选型：纳芯微 NS800RT5095
选型依据：
高频控制性能匹配：项目需生成 2MHz 互补 PWM 波形，NS800RT5095 作为纳芯微实时控制 MCU 系列核心型号，具备皮秒级 PWM 控制精度，其集成的 16 对互补 PWM 外设支持高频信号生成，且硬件死区控制单元可直接解决高频切换时的导通重叠问题，完美适配项目对 PWM 频率与可靠性的需求。
高精度采集能力适配：针对 RC 滤波后电压的精准采集需求，芯片配备 3 个 12 位 5MSPS ADC 模块（INL/DNL±1.5LSB），支持 1.6V 高精度参考电压配置，可实现低电压信号的高分辨率采集，与项目中 “万用表 + ADC 双验证” 的设计思路高度契合。
DSP 算力支撑：音频频谱分析需高效 FFT 运算，芯片内置 eMath 硬件数学加速核，可大幅提升数字信号处理效率，为麦克风采集信号的实时频谱转换提供算力保障，避免因软件运算延迟导致的律动显示卡顿。
硬件设计适配性：芯片采用工业级封装，支持 3.3V 宽压供电，外设接口布局合理，便于自主 PCB 设计时的模拟 / 数字模块分区布线，且兼容 Keil MDK 开发环境，降低软件开发门槛。
（二）NST461-DQNR 模块适配性分析
NST461-DQNR 模块支持数字信号输出（I2C），其工作电压为 3.3V，与纳芯微 NS800RT5095的工作电压范围完全匹配。模块的信号输入接口可直接与 NS800RT5095的输入端连接，数字信号输出接口可通过I2C 总线与微控制器（选用 NS800RT5095）通信，实现数据的实时传输与处理，二者在硬件接口、通信协议等方面具有良好的适配性。
三、原理图绘制
（一）绘制工具
采用 kicad作为原理图绘制工具，该软件功能强大，支持复杂电路设计、器件库管理、等功能，能够有效提高原理图设计效率与准确性。
（二）原理图整体架构
微控制模块：以 NS800RT5095为核心，通过 iic接口接收 NST461-DQNR 模块传输的数据，进行数据解析、校准与存储。
通信模块：NS800RT5095通过 USART 接口传输至上位机，实现数据的实时显示与分析。
（三）关键设计要点
我们根据温度传感器的核心原理：半导体 PN 结在恒定电流下，正向压降（Vbe）会随温度升高线性下降。传感器向 PN 结通精确恒定小电流，测量对应 Vbe 电压，再通过 Vbe 与温度的已知线性关系，精准反推目标温度。
四、PCB 与制版
（一）PCB 设计参数
板层设置：采用双层 PCB 设计，顶层（Top Layer）用于放置元器件、信号走线，底层（Bottom Layer）用于电源走线、接地平面，提高散热性能与抗干扰能力。
板材选择：厚度 1.6mm，具有良好的机械性能、电气性能与成本优势，适用于常规电子设备。
铜箔厚度：采用 1oz 铜箔，满足系统电流传输需求，降低线路损耗。
设计规则：线宽最小设置为 0.8mm（电源线路）、0.4mm（信号线路）；线间距最小设置为 0.4mm；过孔直径设置为 1.0mm（孔径 0.6mm），便于插件焊接。
（二）PCB 布局与布线
布局原则：遵循 “就近布局、功能分区” 原则，将电源模块、信号采集模块、核心模块、通信模块分别集中布局，缩短信号传输路径，减少干扰。
（三）PCB板
(四)板子实物图
（五）设计框图
五、开发中遇到的问题
（一）信号采集精度不足
问题现象：通过上位机读取的远程数据与本地温度数据差距较大。
原因分析：远程温度检测是使用8050三极管，本身温漂较大，阻值不匹配
解决方案：更换线性较好的三极管或者使用稳定的PN节，搭配反馈电路
（二）NST461-DQNR 模块与微控制器通信失败
问题现象：STM32F103C8T6 微控制器通过 iic无法读取 NST461-DQNR 模块的数字信号，iic通信中断。
原因分析：iic地址不对
解决方案：仔细阅读数据手册，查找正确的iic设备地址
（三）PCB 板焊接后短路
问题现象：PCB 板焊接完成后，通电测试发现电源模块短路，保险丝熔断。
原因分析：通过万用表测量排查，输出端与地之间短路，经检查是焊接过程中焊锡过多，导致芯片引脚与接地焊盘短路。
解决方案：使用吸锡器清除芯片引脚多余的焊锡，并用酒精清洗焊接区域；在焊接芯片时，控制电烙铁温度与焊接时间，避免焊锡流淌造成短路；焊接完成后，用万用表逐一测量电源线路与地之间的电阻，排查短路问题。
六、实现结果展示
（一）硬件实物展示
（二）功能测试结果
（三）项目达成目标
本项目基于纳芯微评估版与 NST461-DQNR 模块，成功设计并实现了一套高精度信号采集与处理系统。硬件系统满足设计要求，信号采集精度、稳定性、通信性能均达到预期目标，可广泛应用于工业控制、智能监测等场景，为后续相关产品的研发提供了可靠的硬件平台与技术参考。
七、关键代码及说明// NST461 初始化函数
uint8_t NST461_Init(I2C_TypeDef *i2c, uint8_t devAddr)
{
uint8_t config_data[2];
uint8_t status;
// 1. 配置转换速率（可选，默认是16次/秒）
config_data[0] = 0x0A; // 转换速率寄存器地址
config_data[1] = 0x08; // 默认值，16次/秒
status = I2C_WriteDataRaw(i2c, devAddr, config_data, 2);
if (status != 0) return status;
// 2. 配置通道使能寄存器（确保本地温度测量使能）
config_data[0] = 0x16; // 通道使能寄存器地址
config_data[1] = 0x03; // 默认值，本地和远程通道都使能 (bit0=LEN, bit1=REN)
status = I2C_WriteDataRaw(i2c, devAddr, config_data, 2);
if (status != 0) return status;
// 3. 配置工作模式（确保在连续转换模式）
config_data[0] = 0x09; // 配置寄存器地址
config_data[1] = 0x00; // 默认值，连续转换模式，ALERT功能
status = I2C_WriteDataRaw(i2c, devAddr, config_data, 2);
if (status != 0) return status;
return 0; // 初始化成功
}
/**
* @brief Main function
* @return int Force return 0
*/
// 完整的本地温度读取函数
float read_local_temperature_complete(I2C_TypeDef *i2c, uint8_t devAddr)
{
uint8_t temp_high, temp_low;
//uint8_t config_reg;
float temperature;
// // 首先检查配置寄存器，确保设备在正确模式
// if (I2C_ReadData(i2c, devAddr|0X01, 0x09, &config_reg, 1) != 0) {
// return -999.0f; // 读取配置失败
// }
//
// // 检查是否在关机模式 (bit6 = 1 表示关机模式)
// if (config_reg & 0x40) {
// // 如果在关机模式，切换到连续模式
// uint8_t wakeup_cmd[2] = {0x09, config_reg & 0xBF}; // 清除bit6
// I2C_WriteDataRaw(i2c, devAddr, wakeup_cmd, 2);
//
// // 等待转换完成
// // 本地转换时间约14ms，远程约12ms
// // 这里可以添加适当的延时
// // HAL_Delay(15);
// }
// 读取本地温度高字节
if (I2C_ReadData(i2c, devAddr|0X01, 0x00, &temp_high, 1) != 0) {
return -999.0f;
}
// 读取本地温度低字节
if (I2C_ReadData(i2c, devAddr|0X01, 0x15, &temp_low, 1) != 0) {
return -999.0f;
}
// 解析温度值
int8_t temp_int = (int8_t)temp_high;
float temp_frac = (temp_low >> 4) * 0.0625f;
temperature = temp_int + temp_frac;
return temperature;
}
// 读取状态寄存器函数
uint8_t read_status_register(I2C_TypeDef *i2c, uint8_t devAddr)
{
uint8_t status_reg;
if (I2C_ReadData(i2c, devAddr|0X01, 0x02, &status_reg, 1) != 0) {
return 0xFF; // 读取失败
}
return status_reg;
}
// 打印状态寄存器信息
void print_status_info(uint8_t status_reg)
{
printf("Status Register: 0x%02X\n", status_reg);
if (status_reg & 0x04) {
printf(" - Diode Fault Detected (OPEN bit set)\n");
}
if (status_reg & 0x08) {
printf(" - Remote Low Limit Exceeded\n");
}
if (status_reg & 0x10) {
printf(" - Remote High Limit Exceeded\n");
}
if (status_reg & 0x20) {
printf(" - Local Low Limit Exceeded\n");
}
if (status_reg & 0x40) {
printf(" - Local High Limit Exceeded\n");
}
if (status_reg & 0x80) {
printf(" - ADC Busy\n");
}
}
// 改进的远程温度读取函数，包含诊断信息
float read_remote_temperature_diagnostic(I2C_TypeDef *i2c, uint8_t devAddr)
{
uint8_t temp_high, temp_low;
//uint8_t config_reg, status_reg;
float temperature;
//
// // 读取状态寄存器
// status_reg = read_status_register(i2c, devAddr);
// if (status_reg == 0xFF) {
// printf("Error: Cannot read status register\n");
// return -999.0f;
// }
//
// // 检查二极管故障
// if (status_reg & 0x04) {
// printf("Warning: Diode fault detected! Check remote sensor connection.\n");
// print_status_info(status_reg);
// }
//
// // 检查配置寄存器
// if (I2C_ReadData(i2c, devAddr|0X01, 0x09, &config_reg, 1) != 0) {
// return -999.0f;
// }
//
// // 检查是否在关机模式
// if (config_reg & 0x40) {
// uint8_t wakeup_cmd[2] = {0x09, config_reg & 0xBF};
// I2C_WriteDataRaw(i2c, devAddr, wakeup_cmd, 2);
// Delay_ms(15);
// }
// 读取远程温度高字节
if (I2C_ReadData(i2c, devAddr|0X01, 0x01, &temp_high, 1) != 0) {
return -999.0f;
}
// 读取远程温度低字节
if (I2C_ReadData(i2c, devAddr|0X01, 0x10, &temp_low, 1) != 0) {
return -999.0f;
}
//printf("Remote Temp Raw: High=0x%02X, Low=0x%02X\n", temp_high, temp_low);
// 解析温度值
int8_t temp_int = (int8_t)temp_high;
float temp_frac = (temp_low >> 4) * 0.0625f;
temperature = temp_int + temp_frac;
return temperature;
}
int main(void)
{
/* Initialize device clock and peripherals */
Device_init();
/* Disable peripheral register locks */
Device_unlockPeriphReg();
/* Board Initialization
Setup LED pins, Key pins and Serial Communication Interface pins
*/
Board_init();
/* LED4 & LED5 on */
GPIO_clearPin(BOARD_LED4_PIN);
GPIO_clearPin(BOARD_LED5_PIN);
/* Debug information printing */
printf("Gpio example 1 setup start!\n");
//OLED_Init();
//OLED_Clear();
//char shuzhu[20];
i2c_init(I2C1);
Delay_ms(100);
// sprintf(shuzhu,"adcrg");
// OLED_ShowString(1,1,shuzhu);
// OLED_ShowString(2,1,shuzhu);
/* Loop indefinitely */
NST461_Init(I2C1,0X9C);
Delay_ms(100);
while(1)
{
//wd_Read();
double wd,wd1;
wd=read_local_temperature_complete(I2C1,0X9C);
wd1=read_remote_temperature_diagnostic(I2C1,0X9C);
printf("wd:%.2f,%.2f\n\r",wd,wd1);
//printf("wd:%.2f,wd1:%.2f\n\r",wd,wd1);
// printf("wd:%.2f\n\r",wd);
// printf("wd1:%.2f\n\r",wd1);
GPIO_clearPin(BOARD_LED4_PIN);
GPIO_clearPin(BOARD_LED5_PIN);
Delay_ms(100);
GPIO_setPin(BOARD_LED4_PIN);
GPIO_setPin(BOARD_LED5_PIN);
Delay_ms(100);
}
}
main.c中包含NST461的初始化，本地温度及远程温度的读取及运算。
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