怎么為數(shù)字溫度傳感器選擇系統(tǒng)接口

有助于獲得精確的熱管理加上免校準(zhǔn)特性，將確保數(shù)字溫度傳感器繼續(xù)受到人們的歡迎。為滿足需多個(gè)主器件共存的高可靠性和系統(tǒng)冗余要求，以及對(duì)于要求輕松添加新溫度傳感器的應(yīng)用而言，I2C總線或SMBus將繼續(xù)保持其作為溫度傳感器系統(tǒng)接口主要選擇的地位。

熱敏電阻、熱電偶、模擬硅溫度傳感器和鎳/鉑電阻式溫度檢測器(RTD)，需要進(jìn)行校準(zhǔn)以達(dá)到所需的溫度精度。作為混合信號(hào)器件的數(shù)字溫度傳感器則不需要進(jìn)行校準(zhǔn)，它們具有集成數(shù)字邏輯，工作溫度范圍為-55℃到50℃，采用絕對(duì)溫度比例(PTAT)電路，通過檢測二極管的基極-發(fā)射極電壓(VBE)的變化來測量本地/遠(yuǎn)程溫度。它具有簡單的集成硬件來保存溫度值并對(duì)溫度設(shè)定點(diǎn)、器件工作模式、睡眠模式以及快/慢轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行編程設(shè)定。數(shù)據(jù)通過IC間總線(I2C總線)、系統(tǒng)管理總線(SMBus)或串行外圍接口(SPI)來通信。實(shí)際上，每個(gè)器件在生產(chǎn)時(shí)均會(huì)進(jìn)行調(diào)整，溫度檢測精度達(dá)到±0.5℃以內(nèi)或者更高，性價(jià)比和可靠性均很高。這些優(yōu)點(diǎn)使得數(shù)字溫度傳感器在幾乎任何可以想象到的應(yīng)用中都受到歡迎，包括PC、通信設(shè)備、手持設(shè)備和工業(yè)控制設(shè)備等。

具體來說，數(shù)字溫度傳感器的主要構(gòu)成包括一個(gè)雙電流源、一個(gè)Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字邏輯和一個(gè)通向數(shù)字器件(如與一個(gè)微處理器或微控制器連接)的串行接口(如I2C總線、SMBus或SPI)。數(shù)字溫度傳感器有兩種：本地或遠(yuǎn)程溫度傳感器，它們均采用某種方法強(qiáng)制兩個(gè)成比例的電流通過一個(gè)連接成二極管形式的NPN或PNP晶體管，均用于測量所導(dǎo)致的VBE變化，使用Δ-ΣA/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓采樣并將數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。強(qiáng)制電流一般采用約10:1的比例。通過強(qiáng)制施加比例電流和測量兩個(gè)VBE的差值，可消除二極管上IS這一與工藝相關(guān)參數(shù)的一階效應(yīng)。

每個(gè)溫度傳感器在生產(chǎn)過程中均會(huì)進(jìn)行調(diào)整，以便與要使用的二極管的理想?yún)?shù)匹配。遠(yuǎn)程二極管的特性取自2N3904/6。由于本地溫度傳感器在硅襯底上只是一個(gè)簡單的NPN或PNP結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程溫度傳感器幾乎總是集成一個(gè)本地溫度傳感器。因此，遠(yuǎn)程傳感器的作用幾乎總是像兩個(gè)傳感器一樣。本地溫度傳感器在同一封裝集成了一個(gè)熱二極管。對(duì)于本地傳感器，根據(jù)封裝和位于IC襯底上的本地二極管，熱時(shí)間常數(shù)(即達(dá)到最終溫度的63.2%所需的時(shí)間)為幾分鐘?？偩€負(fù)載過重或轉(zhuǎn)換過快會(huì)造成器件自加熱并影響溫度精度。

圖1 數(shù)字溫度傳感器簡化框圖。

溫度數(shù)據(jù)變?yōu)榭捎盟璧臅r(shí)間稱為轉(zhuǎn)換速率。該速率由器件內(nèi)部振蕩器和A/D分辨率決定，一般低于100Hz或長于10ms。轉(zhuǎn)換速率越快，溫度數(shù)據(jù)可檢索的速度就越快，同時(shí)溫度傳感器消耗的功率也就越大。由于存在自加熱效應(yīng)，轉(zhuǎn)換速率通常較低。圖1顯示了一個(gè)遠(yuǎn)程溫度傳感器和/或本地溫度傳感器的簡化框圖。

I2C總線或SMBus溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)

最流行的數(shù)字溫度傳感器是那些帶有串行總線接口的傳感器。溫度傳感器總線的選擇很大程度上取決于所選微處理器或控制器上有哪些可用的接口?？刂破鞯倪x擇取決于工程師對(duì)其擁有的經(jīng)驗(yàn)多少。對(duì)于需要經(jīng)常進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)，SPI是首選，因?yàn)樗鼡碛休^快的時(shí)鐘速率，速率可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲。然而，對(duì)于系統(tǒng)管理活動(dòng)，如讀取溫度傳感器的讀數(shù)和查詢多個(gè)從器件的狀態(tài)，或者需要多個(gè)主器件共存于同一系統(tǒng)總線上(系統(tǒng)冗余常會(huì)要求這一點(diǎn))，或者面向低功耗應(yīng)用，這時(shí)I2C 或SMBus將是首選接口。下面幾部分將介紹每種串行總線及其優(yōu)缺點(diǎn)。

1. SPI

SPI 是一種四線制串行總線接口，為主/從結(jié)構(gòu)，四條導(dǎo)線分別為串行時(shí)鐘(SCLK)、主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)和從選(SS)信號(hào)。主器件為時(shí)鐘提供者，可發(fā)起讀從器件或?qū)憦钠骷僮?。這時(shí)主器件將與一個(gè)從器件進(jìn)行對(duì)話。當(dāng)總線上存在多個(gè)從器件時(shí)，要發(fā)起一次傳輸，主器件將把該從器件選擇線拉低，然后分別通過 MOSI 和 MISO 線啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。

SPI 時(shí)鐘速度很快，范圍可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲，且沒有系統(tǒng)開銷。SPI 在系統(tǒng)管理方面的缺點(diǎn)是缺乏流控機(jī)制，無論主器件還是從器件均不對(duì)消息進(jìn)行確認(rèn)，主器件無法知道從器件是否繁忙。因此，必須設(shè)計(jì)聰明的軟件機(jī)制來處理確認(rèn)問題。同時(shí)，SPI 也沒有多主器件協(xié)議，必須采用很復(fù)雜的軟件和外部邏輯來實(shí)現(xiàn)多主器件架構(gòu)。每個(gè)從器件需要一個(gè)單獨(dú)的從選擇信號(hào)。總信號(hào)數(shù)最終為 n+3 個(gè)，其中 n 是總線上從器件的數(shù)量。因此，導(dǎo)線的數(shù)量將隨增加的從器件的數(shù)量按比例增長。同樣，在 SPI 總線上添加新的從器件也不方便。對(duì)于額外添加的每個(gè)從器件，都需要一條新的從器件選擇線或解碼邏輯。圖2 顯示了典型的 SPI 讀/寫周期。在地址或命令字節(jié)后面跟有一個(gè)讀/寫位。數(shù)據(jù)通過 MOSI 信號(hào)寫入從器件，通過 MISO 信號(hào)自從器件中讀出。圖3顯示了I2C總線/SMBus以及SPI的系統(tǒng)框圖。

圖2 SPI 典型讀/寫周期。 

圖3  (a)I2C總線/SMBus系統(tǒng)接口；(b)SPI 系統(tǒng)接口。

2. I2C總線