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搞工业现场温度采集的人都会有同感：体温计好做，工业温度难做。风管里一阵风过来，读数漂好几度；压缩机旁边热浪滚滚，传感器线稍微拉长一点，有用信号就小到让人心里没底。这篇文章聊的是一套我最近一直在用的方案：ADS122U04IPWR 配合 STM32F745ZG，专做工业与 HVAC 应用中的温度测量。前者是一颗带 UART 接口的 24 位 ΔΣ ADC，后者是意法半导体的 Cortex-M7 主控，两者组合起来，热电偶、PT100/PT1000、NTC 都能接，精度和稳定性都相当能打。

如果你正在做风机盘管控制器、楼宇自控面板、冷冻水温传感器、热处理设备温度巡检，这篇内容应该能帮你少踩不少坑。我不打算像数据手册那样把寄存器从头念到尾，重点讲清楚为什么选这两个芯片、硬件怎么接、固件怎么写、现场老出哪些问题，以及我是怎么把读数从“勉强能看”调到“敢写在交付报告上”的。整个链路可以直接照抄，也可以按自己的项目改一改。

1. 为什么是 ADS122U04 + STM32F745ZG：先把选型逻辑盘清楚

1.1 工业与 HVAC 温度测量的真实需求

先说需求，否则没法谈选型。HVAC 系统里的温度点其实比想象中多：新风机组要测送风、回风温度，冷冻水系统要测供水和回水温度，热泵机组要盯压缩机排气温度，数据中心机房还要做多点进风温度监测。这些点的量程一般不大，设计规范里常见要求是 -20℃ 到 85℃ 左右，水管和压缩机侧可能到 150℃，但真正麻烦的不是量程，而是“分辨力”和“稳定”。

0.1℃ 的分辨力，对应 PT100 大约是 0.038Ω 的阻值变化，对应 K 型热电偶大约是 4μV 的电压变化。普通 MCU 自带的 12 位 ADC，配合合适的放大电路不是完全做不到，但温漂、基准误差、噪声叠在一起，量产一致性会很差。而 HVAC 系统一天 24 小时连续运行，信号链条上任何一点轻微漂移，最后都会变成冷冻站主机上那 0.5℃ 的偏差，反映到能耗上就是真金白银。所以在温度采集这种看起来“简单”的环节，我没有选自带 ADC 的省钱路径，而是直接用了一颗独立的 24 位 ADC。

另一个现实约束是传感器类型。一个控制柜里可能既有 NTC 室温传感器，又有 PT1000 水管温度探头，配电柜里还有 K 型热电偶用来做过热保护。专用数字温度芯片遇到这种混合接入场景就尴尬了：DS18B20 只能接 NTC 类电阻，TMP117 精度高但也只适合测单点。ADC 方案的优势在于前端是通用的模拟接口，信号类型可以通过软件配置去适配，这样一块板子就能覆盖多种传感器。

1.2 ADS122U04IPWR 这颗 ADC 到底强在哪里

ADS122U04IPWR 是我看过一圈之后留下的方案。它的第一张王牌是 24 位 ΔΣ 架构，内置可编程增益放大器 PGA，增益可以调得比较高，热电偶那点微伏级信号直接接入就可以放大，不用额外搭仪表放大器。第二张王牌是内部集成了电压基准、激励电流源和内部温度传感器，RTD 和热敏电阻需要的恒流源不用外挂，冷端补偿需要的测温通道也内置了。

这颗芯片跟常见 ADC 最大的区别在接口上。ADS122U04 是 UART 接口，而不是 SPI。传统 ADS1220 这类 ADC 用 SPI 通信，短距离没问题，但工业现场一旦主控板离传感器采集板有两米、三米远，SPI 时钟线稍不留神就辐射噪声和误码。UART 接口天生适合低速、可靠的长距离传输，接线只要 TX、RX、GND 三根线，线束成本低，而且可以直接挂 RS485 总线驱动器，把通信距离拉到几十米以上。

还有一点容易被忽略：它外部引脚少，供电范围宽，适合做成小尺寸的模拟前端板。我在项目里把它设计成独立的小模块，STM32 主控板只通过一组 UART 来指挥它，模拟信号处理集中在传感器附近，最大程度缩短了微弱信号在长线束里的传输距离。这个布局方式对工业现场非常友好。

1.3 STM32F745ZG 在这里到底扮演什么角色

STM32F745ZG 在这个项目里不是单纯的“读 ADC 工具”。它是一颗 Cortex-M7 内核的主控，主频 216MHz，带浮点运算单元，跑温度线性化算法和 PID 控制循环都很充裕。F745ZG 的 UART 数量多，除了跟 ADC 通信这个口，还能留出口来跑 Modbus RTU、BACnet MSTP 这些楼宇自控常用协议，不需要另加协议转换芯片。芯片本身自带以太网 MAC，如果将来要做 Web 配置界面或者 MQTT 上云，硬件基础都现成。

很多人觉得，测个温度何必用 M7。但 HVAC 控制器通常不只有温度采集。我做的这个板子同时驱动风阀执行器、采集水压、做防冻保护逻辑，还要响应上位机的启停命令。F745ZG 的定时器资源丰富，浮点能力强，一个人能干几个人的活。从 BOM 成本看确实比 M0/M4 贵一些，但它省掉了外部协处理器、协议处理芯片和可能的第二块 MCU，整机成本反而更可控。

选型时我另外看重的是它内部有硬件 CRC 和多种复位源，在温湿度变化大、电网不干净的现场更不容易死机。ADC 的 UART 通信如果异常，主控可以主动拉复位，重新初始化采集链路。F745ZG 的 IO 翻转速度快，DRDY 中断响应足够及时，不会因为读取滞后导致循环采样丢点。

1.4 不同方案对比：为什么不是普通 ADC 或数字传感器

做技术选型不能只看芯片宣传，得把几个常见路线摆在一起比，才能发现谁合适。

从这个表能看出，ADS122U04 的核心优势不是单项指标极限高，而是把“传感器适配能力”和“工业现场通信可靠性”结合得很好。STM32F745ZG + ADS122U04 这对组合覆盖的是闭环控制加远程通信的中高端温控设备，而不是最便宜的消费级方案。如果产品定位是地暖温控面板那样对成本极其敏感的场合，那就老老实实 NTC 加 MCU 内部 ADC，别学我。

2. 硬件设计细节：信号链才是生死线

2.1 热电偶、RTD、NTC 怎么接前级

ADC 本身再好，前端接错一样白搭。热电偶输出的是差分微伏信号，我把它接到 ADC 的差分输入通道 AIN0/AIN1，PGA 增益开到 64 以上。热电偶内阻很小，但信号又是低电压，所以输入引脚旁边加了一对 RC 滤波：串联电阻选 100Ω，两脚之间放 0.1μF 电容。这个电容不能省，否则工频干扰会直接折进带内，尤其是长线走线经过变频器附近的时候。

PT100/PT1000 的接法我推荐三线制。三线制的思路是：用 ADC 内部的两个 IDAC 电流源分别从两条导线注入，再通过精密的参考电阻和 RTD 分压，利用比例测量把导线电阻的影响抵消掉。实际接法可以理解为 RTD 一端接激励电流源，另一端接参考电阻到地，ADC 同时测量参考电阻上的电压和 RTD 上的电压，阻值 = 电压比 × 参考电阻。这样即使环境温度变化引起 IDAC 输出电流漂移，由于是同时测量的比例关系，漂移被抵消，读数仍然稳定。

NTC 更简单，直接做分压器：NTC 串一个精密电阻接到激励电流源或者电压基准，中间点接 ADC 单端输入。注意 NTC 是非线性的，25℃ 附近灵敏度高，到 100℃ 以上变化率下降，所以量程较大时建议选择分压电阻跟 NTC 在中间温度附近等值，这样最常用的区间分辨率最高。

2.2 冷端补偿的两种实现思路

热电偶测的是热端和冷端的温差，所以冷端温度必须知道才能算出真实温度。冷端其实不一定在设备外壳上，而是指热电偶线材与铜导线（通常是接线端子）连接处的温度。ADS122U04 内部集成了温度传感器，可以直接读一个接近芯片温度的数值，如果芯片紧挨着接线端子，这个值可以做冷端补偿。

但内部温度传感器有一个明显坑：芯片本身工作会发热，读数会比真正的接线端子温度高几度。要想精度做得高，我建议两种优化：第一，PCB 布局时让 ADC 尽量远离大功率元件和电源芯片，减少自热影响；第二，不要依赖内部传感器做高精度补偿，而是在热电偶接线端子处贴一个外置高精度数字温度传感器，比如 TMP117 或精度好一点的 NTC，冷端补偿值用这个外置传感器计算。

我的实际项目是这么处理的：普通应用读内部温度传感器，出厂校准阶段做一次偏差校正；要求误差小于 ±0.5℃ 的场合，接线端子附近加一个外部温度传感芯片，与热电偶信号进入 ADC 的同时采集冷端温度。这样整机成本增加不多，但性能会明显上台阶。

2.3 ADS122U04IPWR 与 STM32F745ZG 的 UART 连接

ADS122U04 与 STM32F745ZG 通信接口的连接方式是标准的 UART 交叉连接：主控的 UART_TX 接 ADC 的 RXD，主控的 UART_RX 接 ADC 的 TXD，两边的 GND 必须连在一起。电平都是 3.3V TTL，可以直接连接，不需要电平转换。如果两块板子距离较远，或者现场存在地电位差，建议在中间加数字隔离器，隔离器两侧分别供电，把信号地用磁珠单点连接。

我这边在 F745ZG 上用的是 USART3，PA10/PA11 这组引脚正好在调试接口附近，布线方便。硬件设计时把 DRDY 脚接在 F745ZG 的一个外部中断引脚上，ADC 每完成一次转换，DRDY 拉低，MCU 立刻进入中断服务程序读取结果。用 GPIO 中断而不是轮询的好处是省 CPU：数据速率不高的时候 MCU 可以把时间拿去做显示、通讯和控制逻辑。

波特率设置这里要提醒一下：ADS122U04 的 UART 波特率与它的时钟配置相关，具体数值务必对照数据手册的 SBCLK 相关章节。我在项目里选择了 19200bps，这个速率对 24 位 ADC 的转换结果和配置命令来说非常充裕。上电时建议先给 ADC 一个复位时序，等待 DRDY 重新有效后再发命令，避免两端波特率状态不同步导致第一帧命令丢失。

2.4 电源、地线和 PCB 布线的几条实操经验

温度采集系统的电源设计优先级很高。ADC 的数字电源和模拟电源最好分开供电，模拟电源用低噪声 LDO，比如 3.3V 的 LDO 后端再串一个 LC 滤波给 AVDD。数字电路和继电器、风阀驱动回路要跟模拟电源严格分区，不能让地电流穿过 ADC 的电源引脚。

PCB 布局上，我习惯把 ADS122U04 放在传感器接口附近，模拟输入走线尽量短、等长，并且远离数字通信线。地平面要完整，不要在 ADC 底下开槽或大片铺铜，否则参考地不干净会直接影响数据低位的稳定性。去耦电容按照数据手册放在电源引脚旁边，参考电压的滤波电容选 C0G 材质，避免陶瓷电容的直流偏压特性影响精度。

输入滤波电阻的位置也有讲究：滤波电阻靠近传感器端，滤波电容紧靠 ADC 引脚，这样高频噪声进入芯片之前先被电容旁路。如果前端有 ESD 风险，比如传感器线是从外面拉进来的，我会在输入对地加 TVS 管，但要注意 TVS 的漏电流和结电容不能太大，否则会影响微伏级信号。

3. 固件与算法：从原始码到可靠温度值

3.1 STM32F745ZG 侧 UART 驱动的初始化要点

固件第一步是初始化与 ADC 通信的 UART。我的做法是用 HAL 库加外部中断，串口配置为 8-N-1，波特率与 ADC 匹配。初始化顺序有讲究：先配置 GPIO 时钟和复用功能，再初始化 UART，然后使能 DRDY 外部中断。如果一开机就陷入忙等读取，系统后面就没法做多任务了。

代码片段大概长这样：

UART_HandleTypeDef huart3; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_USART3_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_11; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART3; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); huart3.Instance = USART3; huart3.Init.BaudRate = 19200; huart3.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; huart3.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; huart3.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; huart3.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; HAL_UART_Init(&huart3);

注意初始化完成后不要立刻发数据，先等几百毫秒让 ADC 内部基准稳定。工业现场很多通信失败不是时序写错，而是上电太快，ADC 还没准备好就收到了命令。

DRDY 中断回调里我一般只置一个标志位，真正的读取动作放到主循环里做。这样避免在中断服务函数中做耗时操作，也方便加互斥保护。数据速率比较低时，这种方式完全没有丢数风险。

3.2 ADS122U04 的命令交互与寄存器配置

ADS122U04 的命令与寄存器体系延续了 ADS1220 的经典布局，配置围绕 PGA 增益、数据速率、输入选择、IDAC 电流这几项展开。使用前必须发出复位命令，然后按顺序写配置寄存器，最后发送启动转换命令，之后每次转换完成 DRDY 引脚都会拉低提示 MCU。

我的配置思路分三步。第一，根据传感器类型设置 PGA 增益：热电偶用高增益，比如 64 或 128；PT100 用 8 或 16；NTC 分压信号较强，用 1 到 2 倍增益就够。第二，选择数据速率：如果现场有工频干扰，优先选带 50Hz/60Hz 抑制的速率，不要盲目追求高速度。测温对象本身就是慢变化物理量，20SPS 到 50SPS 足够了。第三，设置 IDAC：测 RTD 时需要把电流源接到对应引脚，电流值选 1mA 或者 0.25mA。电流大了信号幅度大但自热明显，电流小了功耗低但需要更高增益。

这里放一个伪代码流程：

ADS122U04_Reset(); SetRegister(REG0, Gain=64, Input=MUX_AIN0_AIN1); SetRegister(REG1, DataRate=50SPS, OpMode=Normal); SetRegister(REG2, IDAC=0.25mA, Route=AIN2); SetRegister(REG3, Burnout=Off); StartConversion(); while (DRDY_Flag) { ReadData(); }

寄存器里的位域一定要按数据手册对照，我手里这版固件就吃过“IDAC 电流和输入通道配置错位”的亏，表面上看寄存器都写进去了，实际上 RTD 的电流根本没走对引脚，读出来的数据完全不对，排查了好久才发现是第 3 个寄存器的某一位配置反了。所以写驱动的时候建议先把寄存器回读一遍，确认写入值正确再开始采样。

3.3 温度换算与线性化处理

ADC 输出的原始码是 24 位二进制补码，不能直接用。电压计算公式大致是：

电压 = (原始码 / 8388608) × 基准电压 / PGA 增益

如果是双极性测量，实际满量程范围需要按基准电压和增益换算。我在代码里把基准电压做成一个宏，校准后再修正常数，方便量产时统一调整。

RTD 的换算我强烈建议用比例法：同时读 RTD 通道和参考电阻通道的原始码，然后用 RTD 阻值 = (RTD 编码 / 参考电阻编码) × 参考电阻阻值。这种算法不依赖于基准电压的绝对精度，是教科书级别的精度提升技巧。换算成阻值之后，再用 Callendar-Van Dusen 公式或者查表得到温度。

热电偶的处理稍微复杂些。把测量电压换算成微伏后，先查热电偶分度表得到“未补偿温度”，然后加上冷端温度。更标准的做法是查表得到冷端温度对应的热电势，再与测量热电势相加，最后查回温度。单纯把测量温度和冷端温度相加会引入几个摄氏度的误差，追求精度的场合一定要用“热电势相加再查表”的方式。

NTC 用 Steinhart-Hart 公式比较方便：

1/T = A + B·ln(R) + C·(ln(R))^3

系数 A、B、C 由标定确定。如果不想解方程，也可以把电阻-温度表做成定长数组，在代码里做线性插值，效果差别不大。

3.4 滤波、数据平滑与故障诊断

工业现场不存在完美的原始数据，滤波是必须的。我通常做两级处理：第一级是滑动平均窗口，把最近 8 到 16 次转换结果平均；第二级是中值滤波，用来剔除偶发的毛刺。为什么两级都用？滑动平均对随机噪声有效，但对付脉冲干扰不行；中值滤波能干掉尖刺，但平滑效果不如平均。两者结合，读数既稳又不失真。

断线检测是一个经常被忽略的功能。热电偶断线时，ADC 输入悬空，PGA 通常会输出接近电源轨的值；RTD 断线时，比例电路中的阻值会变成无穷大，测量结果会直接跳变到异常大。固件里给温度变化速率设一个阈值，比如 1 秒内变化超过 20℃，马上标一个 DIAG_ALERT 标志位，提示现场人员检查传感器接线。这个方法对付冰水机组旁偶尔“打电话”一样跳变的探头特别有用。

内部温度传感器的读数也可以做自检：如果读到的“芯片温度”超过 100℃ 或者低于 -40℃，说明芯片可能已经损坏或者焊接有问题，应该直接上报故障而不是上报一个异常温度值。

4. 实测数据、校准方法与现场问题排查

4.1 实测结果：这套组合能到什么样的精度

我在实验室用恒温槽和一个 0.01% 精度的电阻箱做过一轮实测。PT100 三线制接法下，PGA 增益 8、数据速率 20SPS、滑动滤波取 16 次平均，0℃ 到 100℃ 区间的测量偏差基本能控制在 ±0.2℃ 以内，噪声峰峰值等效温度小于 0.02℃。K 型热电偶加冷端补偿后，100℃ 到 400℃ 区间的误差大约是 ±0.5℃ 到 ±1℃，主要偏差来源是热电偶分度表的拟合残差和冷端传感器的绝对精度。

当然这个结果是在恒温条件下出来的，现场环境噪声更大，读数波动会明显一些。但即使在变频器旁边实测，滤波后的数据也没有出现肉眼可见的跳动，整套方案对于 HVAC 的应用场景来说是绰绰有余。

如果发现实测误差超出预期，优先检查校准环节，不要怀疑 ADC 芯片。24 位 ADC 的线性误差本身很小，真正影响精度的是参考电阻精度、PGA 失调、冷端测温偏差和 PCB 漏电流。

4.2 两点校准和多点标定的实操方法

校准是温度采集系统量产前绕不开的一步。我的做法是在固件里保留两个校正参数：增益校正系数和失调校正系数。测试时给系统通入两个已知的精密电阻，比如 100Ω 和 200Ω，分别记录 ADC 的原始读数，然后解线性方程，得出校正系数，烧录到片上 Flash 里。

对热电偶冷端传感器，我用多点校准：把电路板放进温控箱，在 10℃、25℃、40℃ 三个点读取冷端温度真值和 ADC 内部温度读数，做一次线性拟合，把偏移和增益误差修掉。这个动作不复杂，但能把冷端补偿误差从几度压到零点几度，非常划算。

量产时校准设备要稳定，最好用干体炉或者恒温槽，不要用天气温度代替。每块板子校完之后把校准数据写到独立 Flash 扇区，固件升级时不要擦除这个扇区，否则客户一升级固件，精度就回到出厂状态，售后会很头疼。

4.3 常见问题与排查技巧实录

我整理了一张故障速查表，都是实际调试验证过的场景。

这里单独说一下屏蔽层接地问题。热电偶线用屏蔽线时，屏蔽层只能一端接地，不要两端都接。两端接地会在屏蔽层里形成地环路电流，感应的工频磁场反而会坏信号。这个原理和音频线是一样的，但到现场经常有人忘记。

4.4 继续扩展：多通道、隔离与现场总线

这套方案扩展起来潜力不小。如果一路 ADC 不够用，可以在前端加模拟多路复用器，比如 TMUX 系列，把多路 RTD 轮流切换到一个 ADC 采集，代价是扫描周期变长。风管温度这种变化缓慢的通道，牺牲一点速率换成本，很划算。

如果 ADC 板跟主控板距离超过 3 米，我建议在中间加数字隔离器，然后用 RS485 驱动器替代 UART 电平。ADS122U04 本身是 UART 协议，接 RS485 只需要加一颗收发芯片和方向控制信号，通信距离可以到几十米，这对楼宇自控的现场布线非常关键。F745ZG 再通过自带的以太网 MAC 或者扩展 RS485 口接上位机，整个系统就串起来了。

最后分享一个个人习惯：每次新板回来，先把 ADS122U04 的 DRDY 信号、供电电压、RX/TX 波形全部用示波器量一遍，再上电烧固件。波形干净了再调算法，不要一上来就跑上位机软件看温度，否则问题藏在哪一层根本说不清楚。这套方法帮我省下的调试时间，远比我写固件的时间多得多。