數字溫度傳感器接口選擇

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)行校準以達到所需的溫度精度。作為混合信號器件的數字溫度傳感器則不需要進(jìn)行校準，它們具有集成數字邏輯，工作溫度范圍為-55℃到50℃，采用絕對溫度比例(PTAT)電路，通過(guò)檢測二極管的基極-發(fā)射極電壓(VBE)的變化來(lái)測量本地/遠程溫度。它具有簡(jiǎn)單的集成硬件來(lái)保存溫度值并對溫度設定點(diǎn)、器件工作模式、睡眠模式以及快/慢轉換速率進(jìn)行編程設定。數據通過(guò)IC間總線(xiàn)(I2C總線(xiàn))、系統管理總線(xiàn)(SMBus)或串行外圍接口(SPI)來(lái)通信。

　　具體來(lái)說(shuō)，數字溫度傳感器的主要構成包括一個(gè)雙電流源、一個(gè)Δ-ΣA/D轉換器、數字邏輯和一個(gè)通向數字器件(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(xiàn)、SMBus或SPI)。數字溫度傳感器有兩種：本地或遠程溫度傳感器，它們均采用某種方法強制兩個(gè)成比例的電流通過(guò)一個(gè)連接成二極管形式的NPN或PNP晶體管，均用于測量所導致的VBE變化，使用Δ-ΣA/D轉換器對電壓采樣并將數值轉換成數字格式。強制電流一般采用約10:1的比例。通過(guò)強制施加比例電流和測量?jì)蓚€(gè)VBE的差值，可消除二極管上IS這一與工藝相關(guān)參數的一階效應。

　　每個(gè)溫度傳感器在生產(chǎn)過(guò)程中均會(huì )進(jìn)行調整，以便與要使用的二極管的理想參數匹配。遠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(jiǎn)單的NPN或PNP結構，遠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。對于本地傳感器，根據封裝和位于IC襯底上的本地二極管，熱時(shí)間常數(即達到最終溫度的63.2%所需的時(shí)間)為幾分鐘?？偩€(xiàn)負載過(guò)重或轉換過(guò)快會(huì )造成器件自加熱并影響溫度精度。

　　溫度數據變?yōu)榭捎盟璧臅r(shí)間稱(chēng)為轉換速率。該速率由器件內部振蕩器和A/D分辨率決定，一般低于100Hz或長(cháng)于10ms。轉換速率越快，溫度數據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，轉換速率通常較低。圖1顯示了一個(gè)遠程溫度傳感器和/或本地溫度傳感器的簡(jiǎn)化框圖。

圖1：數字溫度傳感器簡(jiǎn)化框圖。

　　I2C總線(xiàn)或SMBus溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)

　　最流行的數字溫度傳感器是那些帶有串行總線(xiàn)接口的傳感器。溫度傳感器總線(xiàn)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擇取決于工程師對其擁有的經(jīng)驗多少。對于需要經(jīng)常進(jìn)行數據流傳輸的系統數據，SPI是首選，因為它擁有較快的時(shí)鐘速率，速率可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲。然而，對于系統管理活動(dòng)，如讀取溫度傳感器的讀數和查詢(xún)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總線(xiàn)上(系統冗余常會(huì )要求這一點(diǎn))，或者面向低功耗應用，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(xiàn)及其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　1. SPI

　　SPI 是一種四線(xiàn)制串行總線(xiàn)接口，為主/從結構，四條導線(xiàn)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。主器件為時(shí)鐘提供者，可發(fā)起讀從器件或寫(xiě)從器件操作。這時(shí)主器件將與一個(gè)從器件進(jìn)行對話(huà)。當總線(xiàn)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(xiàn)拉低，然后分別通過(guò)MOSI 和MISO 線(xiàn)啟動(dòng)數據發(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(méi)有系統開(kāi)銷(xiāo)。SPI 在系統管理方面的缺點(diǎn)是缺乏流控機制，無(wú)論主器件還是從器件均不對消息進(jìn)行確認，主器件無(wú)法知道從器件是否繁忙。因此，必須設計聰明的軟件機制來(lái)處理確認問(wèn)題。同時(shí)，SPI 也沒(méi)有多主器件協(xié)議，必須采用很復雜的軟件和外部邏輯來(lái)實(shí)現多主器件架構。每個(gè)從器件需要一個(gè)單獨的從選擇信號?？傂盘枖底罱K為n+3 個(gè)，其中n 是總線(xiàn)上從器件的數量。因此，導線(xiàn)的數量將隨增加的從器件的數量按比例增長(cháng)。同樣，在SPI 總線(xiàn)上添加新的從器件也不方便。對于額外添加的每個(gè)從器件，都需要一條新的從器件選擇線(xiàn)或解碼邏輯。圖2 顯示了典型的SPI 讀/寫(xiě)周期。在地址或命令字節后面跟有一個(gè)讀/寫(xiě)位。數據通過(guò)MOSI 信號寫(xiě)入從器件，通過(guò)MISO信號自從器件中讀出。圖3顯示了I2C總線(xiàn)/SMBus以及SPI的系統框圖。

圖2：SPI 典型讀/寫(xiě)周期。

圖3：(a)I2C總線(xiàn)/SMBus系統接口；(b)SPI 系統接口。

　　2. I2C總線(xiàn)

　　I2C 是一種二線(xiàn)制串行總線(xiàn)接口，工作在主/從模式。二線(xiàn)通信信號分別為開(kāi)漏SCL 和SDA 串行時(shí)鐘和串行數據。主器件為時(shí)鐘源。數據傳輸是雙向的，其方向取決于讀/寫(xiě)位的狀態(tài)。每個(gè)從器件擁有一個(gè)唯一的7 或10 位地址。主器件通過(guò)一個(gè)起始位發(fā)起一次傳輸，通過(guò)一個(gè)停止位終止一次傳輸。起始位之后為唯一的從器件地址，再后為讀/寫(xiě)位。

　　I2C總線(xiàn)速度為從0Hz到3.4MHz。它沒(méi)有SPI 那樣快，但對于系統管理器件如溫度傳感器來(lái)說(shuō)則非常理想。I2C 存在系統開(kāi)銷(xiāo)，這些開(kāi)銷(xiāo)包括起始位/停止位、確認位和從地址位，但它因此擁有流控機制。主器件在完成接收來(lái)自從器件的數據時(shí)總是發(fā)送一個(gè)確認位，除非其準備終止傳輸。從器件在其接收到來(lái)自主器件的命令或數據時(shí)總是發(fā)送一個(gè)確認位。當從器件未準備好時(shí)，它可以保持或延展時(shí)鐘，直到其再次準備好響應。

　　I2C允許多個(gè)主器件工作在同一總線(xiàn)上。多個(gè)主器件可以輕松同步其時(shí)鐘，因此所有主器件均采用同一時(shí)鐘進(jìn)行傳輸。多個(gè)主器件可以通過(guò)數據仲裁檢測哪一個(gè)主器件正在使用總線(xiàn)，從而避免數據破壞。由于I2C總線(xiàn)只有兩條導線(xiàn)，因此新從器件只需接入總線(xiàn)即可，而無(wú)需附加邏輯。圖4 顯示了典型的I2C總線(xiàn)讀/寫(xiě)操作。

圖4：I2C總線(xiàn)/SMBus的典型讀/寫(xiě)操作。

　　3. SMBus

　　SMBus是一種二線(xiàn)制串行總線(xiàn)，1996年第一版規范開(kāi)始商用。它大部分基于I2C總線(xiàn)規范。和I2C一樣，SMBus不需增加額外引腳，創(chuàng )建該總線(xiàn)主要是為了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且專(zhuān)門(mén)面向智能電池管理應用。它工作在主/從模式：主器件提供時(shí)鐘，在其發(fā)起一次傳輸時(shí)提供一個(gè)起始位，在其終止一次傳輸時(shí)提供一個(gè)停止位；從器件擁有一個(gè)唯一的7或10位從器件地址。

　　SMBus與I2C總線(xiàn)之間在時(shí)序特性上存在一些差別。首先，SMBus需要一定數據保持時(shí)間，而I2C總線(xiàn)則是從內部延長(cháng)數據保持時(shí)間。SMBus具有超時(shí)功能，因此當SCL太低而超過(guò)35 ms時(shí)，從器件將復位正在進(jìn)行的通信。相反，I2C采用硬件復位。SMBus具有一種警報響應地址(ARA)，因此當從器件產(chǎn)生一個(gè)中斷時(shí)，它不會(huì )馬上清除中斷，而是一直保持到其收到一個(gè)由主器件發(fā)送的含有其地址的ARA為止。SMBus只工作在從10kHz到最高100kHz。最低工作頻率10kHz是由SMBus超時(shí)功能決定的。