帶I2C接口的數字溫度傳感器TMP101及其應用

摘要：TMP101是TI公司生產(chǎn)的12位低功耗、高精度數字溫度傳感器，較寬的溫度測量范圍和較高的分辨率使其可以廣泛應用于許多溫度測量場(chǎng)合。TMP101可通過(guò)串行總線(xiàn)接口方便地與數字系統相連，同時(shí)還具有關(guān)閉模式和報警輸出。文中介紹了TMP101的內部結構和主要特性，并給出了與PrPMC800模塊的接口應用。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；I2C；SMBus；PrPMC800；TMP101

１?。裕停校保埃钡囊_功能和主要特性

ＴＭＰ１０１是ＴＩ公司生產(chǎn)的１２位低功耗、高精度的數字溫度傳感器?它采用與Ｉ２Ｃ和ＳＭＢｕｓ相兼容的２線(xiàn)數字接口，可應用于許多高分辨率和寬量程溫度測量場(chǎng)合，如溫度控制系統、個(gè)人計算機保護、電子測試儀器、辦公設備以及生物醫學(xué)儀器等方面。ＴＭＰ１０１采用６腳ＳＯＴ２３封裝，其引腳排列如圖１所示，引腳功能如下：

１腳ＳＣＬ：串行總線(xiàn)時(shí)鐘，ＣＭＯＳ電平；

２腳ＧＮＤ：接地腳；

３腳ＡＬＥＲＴ：總線(xiàn)報警輸出，開(kāi)路；

４腳 Ｖ＋：電源；

５腳 ＡＤＤ０：用戶(hù)設置的地址輸入；

６腳 ＳＤＡ：串行數據線(xiàn)，ＣＭＯＳ電平，雙向，開(kāi)路；

ＴＭＰ１０１的供電電壓范圍為２．７～５．５Ｖ，轉換精度在９～１２ｂｉｔｓ可選，分辨率高達０．０６２５℃。器件工作溫度為－５５℃～１２５℃，最大測量溫度超過(guò)１５０℃，同時(shí)它還具有以下特點(diǎn)：

● 帶有串行總線(xiàn)接口；

●具有節省功耗的關(guān)閉模式；

●一條Ｉ２Ｃ總線(xiàn)可連接３個(gè)ＴＭＰ１０１器件；

●可編程的溫度上下限寄存器及開(kāi)路中斷輸出；

●溫度轉換速度比同類(lèi)產(chǎn)品高，單片報價(jià)較低。

圖２是ＴＭＰ１０１的典型連接電路，由于其內部集成了高精度溫度傳感器，所以除了部分信號線(xiàn)需要加上拉電阻外，不需要外接任何元件。當測量溫度超過(guò)所設定的窗口極限時(shí),通過(guò)ＡＬＥＲＴ信號線(xiàn)向主控器發(fā)出中斷信號進(jìn)行報警。

表1 配置寄存器的數據格式

２ 內部結構和寄存器功能

ＴＭＰ１０１內部帶有數字溫度傳感器、溫度窗口比較器和Ｉ２Ｃ串行總線(xiàn)接口。通過(guò)一個(gè)帶隙型溫度傳感器和一個(gè)１２位Δ－Σ ＡＤ轉換器將所采集的溫度存儲在內部的溫度寄存器中。器件根據用戶(hù)在溫度上下限寄存器中設定的ＴＨＩＧＨ和ＴＬＯＷ來(lái)在溫度窗口比較器中決定是否啟動(dòng)報警輸出?？刂疲裕停校保埃钡闹鳈C可以對溫度窗口的上、下限進(jìn)行設置，ＴＭＰ１０１自身的可編程遲滯特性與故障隊列能將誤報情況減至最少。系統上電后器件處于一種缺省閾值狀態(tài)，其溫度報警缺省閾值為：下限溫度ＴＬＯＷ＝７５℃，上限溫度ＴＨＩＧＨ＝８０℃。ＴＭＰ１０１的功能實(shí)現和工作方式主要由內部的５個(gè)寄存器來(lái)確定，這些寄存器分別是地址指針寄存器（Ｐｏｉｎｔ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、溫度值寄存器（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、配置寄存器（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、溫度上限寄存器（ ＴＨＩＧＨ Ｒｅｇ-ｉｓｔｅｒ）和溫度下限寄存器（ＴＬＯＷ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）。其中器件的工作方式主要通過(guò)對配置寄存器的配置來(lái)實(shí)現，配置寄存器的數據格式見(jiàn)表１所列，各數據位的具體說(shuō)明如下：

Ｒ１／Ｒ０: 溫度傳感器分辨率配置位。通過(guò)對該兩位的配置，可以控制溫度傳感器的轉換分辨率，同時(shí)也可以控制轉換時(shí)間，而且分辨率越高，轉換時(shí)間也就越長(cháng)；

Ｆ１／Ｆ０:錯誤隊列配置位。只有溫度連續超過(guò)限制ｎ次后，報警才會(huì )輸出，參數ｎ由Ｆ１／Ｆ０來(lái)設置，設置錯誤隊列的目的是用來(lái)防止環(huán)境噪聲對報警輸出的影響；

ＰＯＬ：ＡＬＥＲＴ極性位。通過(guò)ＰＯＬ的設置，可以使控制器和ＡＬＥＲＴ輸出的極性一致；

ＴＭ：設置器件工作在比較模式還是中斷模式，ＴＭ為１時(shí)工作在中斷模式，ＴＭ為０時(shí)工作在比較模式；

ＳＤ：設置器件是否工作在關(guān)斷模式，ＳＤ為１時(shí)為關(guān)斷模式，ＳＤ為０時(shí)為正常工作方式；

ＯＳ／ＡＬＥＲＴ:在關(guān)斷模式下，向該位寫(xiě)１，可以開(kāi)啟一次溫度轉換；在溫度比較模式下，該數據位可提供比較模式的狀態(tài)；

３ 工作方式與串行接口

３．１ 工作方式

正常工作方式下，當所采集的溫度在上下限之外時(shí)，ＴＭＰ１０１會(huì )根據配置寄存器中的ＴＭ狀態(tài)來(lái)決定器件是工作在比較模式還是中斷模式。當工作在比較模式下時(shí)，所采集的溫度等于或大于ＴＨＩＧＨ時(shí)，比較器將激活ＡＬＥＲＴ告警輸出，提醒主機當前工作溫度不正常，只有當溫度低于ＴＬＯＷ時(shí)，ＡＬＥＲＴ信號才恢復正常。正常工作時(shí)，默認方式為比較模式。當器件工作在中斷模式下，且所采集的溫度在上下限之外時(shí)，比較器都會(huì )激活ＡＬＥＲＴ報警輸出，只有在對寄存器進(jìn)行讀操作或者器件在關(guān)斷模式下時(shí)，ＡＬＥＲＴ信號才恢復正常?在此種模式下可進(jìn)行系統的耐溫測試。

另外，器件還具有節能的關(guān)斷模式，如果選擇該模式，當前的溫度轉換結束后，器件會(huì )自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)電流消耗只有１ｕＡ，只有向配置寄存器的ＯＳ／ＡＬＥＲＴ位寫(xiě)１才可以開(kāi)啟下一次溫度轉換。該模式由配置寄存器的ＳＤ數據位來(lái)設定。

３．２ 串行接口

ＴＭＰ１０１的２線(xiàn)分別是數據線(xiàn)ＳＤＡ和時(shí)鐘線(xiàn)ＳＣＬ，當它作為從器件在串行總線(xiàn)上運行時(shí)，ＳＣＬ線(xiàn)是輸入線(xiàn)，ＳＤＡ線(xiàn)是雙向串行數據線(xiàn)。另外，根據串行總線(xiàn)規范，ＴＭＰ１０１有一個(gè)７位受控地址，受控地址中的最高有效位設為“１００１０”，另外兩個(gè)最低有效位通過(guò)管腳ＡＤＤ０來(lái)控制。當ＳＣＬ為高電平時(shí)?ＳＤＡ的數據應當保持穩定?否則?任何ＳＤＡ的變化都被視為控制信號。ＴＭＰ１０１在傳送數據過(guò)程中共有開(kāi)始信號、結束、應答三種信號類(lèi)型。

(１) Ｉ２Ｃ總線(xiàn)通信協(xié)議

只有當總線(xiàn)不忙時(shí)，才可以開(kāi)始傳送數據。

在傳送數據期間，時(shí)鐘信號線(xiàn)為高電平時(shí)，數據線(xiàn)ＳＤＡ必須保持不變，只有在啟動(dòng)／停止狀態(tài)信號到來(lái)后，數據線(xiàn)ＳＤＡ才能改變。

(２) 啟動(dòng)／停止狀態(tài)信號

當時(shí)鐘信號為高電平且數據線(xiàn)ＳＤＡ從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)產(chǎn)生起始位信號。ＴＭＰ１０１監控ＳＤＡ和ＳＣＬ的狀態(tài)，只有當啟動(dòng)信號到來(lái)后，芯片才開(kāi)始工作。

時(shí)鐘信號為高電平且數據線(xiàn)ＳＤＡ從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)產(chǎn)生停止位信號。當停止信號到來(lái)時(shí)，所有工作結束。

當主設備器件發(fā)送起始信號和ＴＭＰ１０１的地址后，ＴＭＰ１０１便開(kāi)始監控總線(xiàn)，若接收的地址無(wú)誤，將發(fā)出一個(gè)確認信號，并根據Ｒ／Ｗ位的狀態(tài)來(lái)執行讀／寫(xiě)操作。

(３) 寫(xiě)操作

寫(xiě)操作時(shí)，先由主設備器件向ＴＭＰ１０１發(fā)送起始狀態(tài)和ＴＭＰ１０１的地址信息(Ｒ／Ｗ位＝０)，然后由主設備器件發(fā)送數據而由ＴＭＰ１０１接收數據。寫(xiě)操作可以分為１字節寫(xiě)操作和頁(yè)面(１６字節)寫(xiě)操作兩種方式，兩者的操作過(guò)程基本相同，不同之處在于主設備寫(xiě)入數據的多少。

(４) 讀操作

讀操作與寫(xiě)操作所不同的是，首先由主設備器件向ＴＭＰ１０１發(fā)送起始狀態(tài)和ＴＭＰ１０１的地址信息(Ｒ／Ｗ位＝１)，然后由ＴＭＰ１０１發(fā)送數據而由主設備器件接收數據。讀操作分為單字節讀操作和連續讀操作兩種方式? 圖３給出了軟件讀?。裕停校保埃奔拇嫫鲾抵档牧鞒虉D。

４　和ＰｒＰＭＣ８００模塊的接口應用

ＰｒＰＭＣ８００模塊是滿(mǎn)足ＰＭＣ ＰＣＩ規范的處理機模塊，它采用４個(gè)標準的６４腳ＰＭＣ接口作為對外總線(xiàn)接口，其中第４個(gè)ＰＭＣ接口的１、２引腳是它的Ｉ２Ｃ接口引腳，通過(guò)其模塊內部的橋接控制ＡＳＩＣ芯片可將該接口的數據傳到模塊的處理器。該處理器模塊對溫度要求較高，工作溫度范圍在０℃～５５℃，所以在實(shí)際應用中需要對處理器模塊環(huán)境溫度進(jìn)行采集和分析，而利用ＴＭＰ１０１可以很方便的實(shí)現ＰｒＰＭＣ８００模塊的溫度采集功能，其功能系統框架圖如圖４所示。

在該系統中，ＰｒＰＭＣ８００模塊作為總線(xiàn)控制器，雙方通過(guò)Ｉ２Ｃ總線(xiàn)連接，溫度采集結果也通過(guò)該總線(xiàn)輸出。為和ＰｒＰＭＣ８００模塊存儲ＶＰＤ的ｓｒｏｍ電壓兼容，ＴＭＰ１０１芯片采用３．３Ｖ供電，轉換精度為０．５℃?測量溫度為－５５℃～１２５℃。溫度報警輸出引腳ＡＬＥＲＴ接入ＣＰＬＤ，當ＡＬＥＲＴ信號有效時(shí)，ＣＰＬＤ啟動(dòng)到８００卡的ＨＯＳＴＩＮＴ中斷，告知ＣＰＵ系統的溫度出現問(wèn)題?？紤]到溫度傳感器的報警中斷輸出，系統中采用的是開(kāi)路輸出，可以將幾個(gè)溫度傳感器報警輸出線(xiàn)相或來(lái)構成多點(diǎn)采集溫度系統，從而測試單板不同位置的溫度，同時(shí)也可監測風(fēng)扇轉速對單板溫度的影響。

５　結論

實(shí)際應用表明，ＴＭＰ１０１芯片具有較高的性能，利用它可以較好地實(shí)現預期的設計功能。利用主控ＣＰＵ和多片ＴＭＰ１０１可以很容易地構成一個(gè)低電壓低功耗的多點(diǎn)數字測溫系統，且能得到較高的溫測精度和較高的讀取速度。該系統目前已被應用于某無(wú)線(xiàn)接入服務(wù)器的單板系統設計中，實(shí)踐證明：運行效果良好。