工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設計挑戰和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠程傳感器IC②

簡(jiǎn)介

為了保持營(yíng)養并確保質(zhì)量和產(chǎn)品安全，制造商規定了包裝和易腐商品（尤其是食品和藥品）的運輸和儲存溫度。 但是經(jīng)過(guò)當地雜貨店到達消費者手上之前，水果、蔬菜 和冷凍食品在運輸期間和大型制冷設備貨架上停留了大量時(shí)間，如圖 1 所示。將這些商品保持在適當溫度至關(guān)重要。

冷鏈管理將確保在包裝和易腐商品的生命周期每個(gè)階段 都滿(mǎn)足適當條件。冷鏈管理還要確保操作員在運輸或儲 存期間發(fā)現可能發(fā)生偏離儲存溫度范圍的情況時(shí)可以采 取適當的措施。

冷鏈拓撲

帶有測量?jì)x表的溫度傳感器長(cháng)期以來(lái)一直很受歡迎。然而，隨著(zhù)半導體技術(shù)的進(jìn)步，而且大多數冷鏈管理發(fā)生在 -40°C 至 +10°C 的溫度范圍內，集成的溫度傳感器成為了冷鏈管理的最佳選擇。

根據應用，可能有不同的拓撲。如圖 2 所示，在點(diǎn)對點(diǎn)拓 撲中，單個(gè)微控制器 (MCU) 連接到溫度傳感器，該傳感器可以是模擬或數字輸出傳感器。在運輸過(guò)程中管理貨 物托盤(pán)時(shí)，點(diǎn)對點(diǎn)拓撲非常有用。

在感測一組制冷容器（如冰箱）時(shí)，由于單個(gè) MCU 的成本太高，無(wú)法在整個(gè)系統中多次實(shí)施。在此類(lèi)情況下，最 常見(jiàn)的拓撲是星形、共享總線(xiàn)或菊花鏈拓撲（圖 3）：

? 星形拓撲可以在某一個(gè)分支出現故障時(shí)輕松實(shí)現故 障隔離。星形拓撲可以同時(shí)使用模擬和數字輸出溫度傳感器，但由于控制器外設數量較高且系統無(wú)法充分擴展，因此實(shí)施成本較高。

? 在共享總線(xiàn)拓撲中，一個(gè) MCU 充當多個(gè)傳感器的主控制器。使用數字溫度傳感器即可輕松實(shí)現擴展。共享總線(xiàn)拓撲會(huì )共享線(xiàn)路，但仍然可以使用帶內尋址（ 如 I2C 總線(xiàn)）或基于片選的帶外信令（串行外設接口 就是這種情況）進(jìn)行單獨尋址。然而，I2C 面臨的問(wèn)題 可能是長(cháng)鏈上的可靠電力輸送和信號完整性。

? 菊花鏈不需要帶外信令，而是使用帶內尋址方案。一 個(gè)鏈的每一級充當下一個(gè)鏈的緩沖器，因此可以改善更長(cháng)距離的信號完整性。

無(wú)論處于冷鏈管理的哪個(gè)監測階段，電子系統都具有獨特的優(yōu)勢，因為它們不僅可以記錄托盤(pán)或制冷設備的溫度，還可以提供閾值以便在超過(guò)特定閾值時(shí)發(fā)出警報。此類(lèi)事件可通過(guò)聲音或視覺(jué)警報（如蜂鳴器或閃爍的 LED 指示燈）的形式直觀(guān)地傳達給操作員，還可使用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn) MCU 集成到云服務(wù)中，從而實(shí)現全天候監測和數據記錄 。

圖 4 顯示了 9,600bps 的通信接口的信號完整性。SMAART wire ^TM 數字接口使用通用異步接收器/發(fā)送器總線(xiàn)，這是幾乎所有 MCU 上的標準外設，因此可以更輕松地開(kāi)發(fā)軟件。同時(shí)，菊花鏈實(shí)現方案更便于識別電纜斷裂的位置，因此更容易維護和提高整體系統可靠性。

器件建議

TMP107 數字輸出溫度傳感器支持總共 32 個(gè)菊花鏈器 件，可在需要高精度和系統范圍擴展性的冷鏈管理應用中替代NTC 熱敏電阻。TMP107 在 -20°C 至 +70°C 溫度 范圍內的最高精度規格為 ±0.4°C，在 -40°C 至 +100°C 范圍內為±0.55°C，且溫度分辨率為 0.015625°C。

憑借自動(dòng)地址分配功能，TMP107 允許系統開(kāi)發(fā)人員在編寫(xiě)軟件時(shí)無(wú)需為每個(gè)傳感器節點(diǎn)分配地址，因為系統會(huì )通過(guò)添加額外的傳感器節點(diǎn)進(jìn)行擴展。同時(shí)，通過(guò)使用推挽式通信輸入/輸出，系統可以更好地抵抗噪聲，防止噪聲影響長(cháng)電纜上的溫度值。這種彈性使得鏈中相鄰器件之間跨度為 1,000 英尺的數據傳輸成為可能。

使用有源總線(xiàn)通信執行溫度轉換時(shí)，TMP107 的電流消耗通常為 300μA。在低功耗模式下的關(guān)斷電流為 3.8μA。 該器件具有 1.7V 至 5.5V 的寬工作電壓范圍，由于電流消耗很低，因此非常適合用于冷鏈管理運輸階段的電池 供電型系統。提高波特率可實(shí)現實(shí)時(shí)更新，有助于儲存冷凍食品。

此外，TMP107 將配置和溫度限制存儲在內部非易失性存儲器中。因此，該器件可以在上電時(shí)自動(dòng)配置，進(jìn)而無(wú)需單獨進(jìn)行器件配置，并可提高系統運行速度。該器件還具有八個(gè)電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM) 位置， 提供高達 128 位的 EEPROM 來(lái)存儲用戶(hù)信息或校準信息。

菊花鏈拓撲是實(shí)現高效冷鏈溫度監測的最佳方式。TMP107 實(shí)現了精度、功耗和功能的完美結合，可支持基于電池的冷鏈管理系統。

表 1 列出了此實(shí)現方案的備選器件建議。

有關(guān)此主題的更多信息，或有關(guān)冷鏈市場(chǎng)的一般性建議， 請參閱表 2 中的相關(guān)內容。

了解患者的體溫是任何臨床診斷的關(guān)鍵第一步，也是運 動(dòng)員的重要關(guān)注點(diǎn)。除了要求超高精度外，行業(yè)正朝著(zhù)緊 湊型可穿戴設備的方向發(fā)展，以提供持續的溫度監測。精 度高達 0.1°C 的溫度傳感器不僅符合美國材料與試驗協(xié) 會(huì ) (ASTM) E1112 對醫用溫度計的要求，而且還經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可使電池供電的可穿戴設備保持緊湊和舒適。

可穿戴式溫度傳感的設計挑戰

簡(jiǎn)介

在臨床環(huán)境中監測患者生命體征通常是需要經(jīng)過(guò)嚴格校準的昂貴系統所執行的工作，需要將患者束縛在臨床監護儀旁邊。無(wú)線(xiàn)患者監測系統可提供患者舒適性和臨床便利性，只要仍然符合嚴格的醫療標準即可。

在設計可穿戴式溫度監測儀時(shí)，需要在功耗、尺寸、系統性能（射頻 [RF] 和精度方面）和患者舒適度之間進(jìn)行許多權衡。例如，更輕薄、更柔軟的電池提供更大的舒適性， 但可能需要更精心的電源管理。

更小、更低成本的設計需要在隔熱和射頻性能方面做出犧牲。用于長(cháng)期監測的解決方案必須充分利用電路板面 積來(lái)提高精度和信號完整性，同時(shí)盡可能降低電流消耗。 系統設計人員必須平衡這些要求以及患者的舒適度和體驗。

溫度計的合規性

美國材料與試驗協(xié)會(huì ) (ASTM) E1112 和國際標準化組織 (ISO) 80601-2-56:2017 是間歇性電子式患者溫度計的監管標準。對于符合 ASTM E1112 標準的臨床溫度測量應用，體溫監測儀必須能夠產(chǎn)生 ±0.1°C 精度的讀數，還必須讀取并顯示最低 35.8°C 至 41.0°C 的溫度。至少，任何溫度監測設計都應該包括一個(gè)能夠在校準后滿(mǎn)足這些要 求的傳感元件。

TI 建議對可穿戴式溫度監測儀使用 TMP117 超高精度數字溫度傳感器。該器件本身在 25°C 至 50°C 溫度范圍內的精度優(yōu)于 0.1°C，無(wú)需校準即可滿(mǎn)足 ASTM E1112 和 ISO 80601-2-56:2017 的要求。此外，TMP117 的低總電流消耗和單次觸發(fā)模式非常適合電池供電的應用。與基于電阻溫度檢測器 (RTD) 或熱敏電阻的解決方案相比，TMP117 的數字 I2C 輸出還極大地簡(jiǎn)化了系統設計。

布局注意事項

即使采用合適的傳感元件，確保整體系統精度仍然需要仔細進(jìn)行電路板布局。若要監測皮膚溫度，最佳布局應滿(mǎn)足以下條件：

? 最大限度提高傳感元件和其他器件之間的隔熱能力。

? 最大限度降低溫度傳感元件周?chē)臒豳|(zhì)量以加快響應速度。

? 在患者和傳感元件之間提供良好的熱接觸，使傳感器和目標之間的溫度梯度最小化。

優(yōu)化隔熱和熱質(zhì)量

圖 1 顯示了一個(gè)皮膚溫度監測系統示例。TMP117 數字溫度傳感器使用窄臂從印刷電路板 (PCB) 的其余部分進(jìn)行延伸，從而最大限度減少電路板其余部分的熱傳導。

圖 2 顯示了相同雙層柔性 PCB 的疊層。使用柔性板有助于減少總體熱質(zhì)量，從而改善患者監測儀的熱響應時(shí)間。 在電路板頂部和底部之間省略銅填充會(huì )阻止從 TMP117 吸走熱量并增加熱質(zhì)量。

熱接觸

為了對患者皮膚溫度進(jìn)行可靠測量，需要被監測患者與傳感器件之間實(shí)現良好的熱接觸。這種熱接觸與電路板其余部分的熱隔離相互配合，可確保報告的溫度盡可能接近患者的實(shí)際皮膚溫度。使用 TMP117，牢固的覆銅和接觸過(guò)孔可以在電路板下面提供導熱路徑，如圖 3 所示。 焊盤(pán)與穿戴者的皮膚直接接觸，并確保該器件的主要熱源來(lái)自被監測者。

自發(fā)熱

無(wú)論選擇何種傳感元件和布局，鑒于醫用溫度計的嚴格精度要求，均需要了解器件自發(fā)熱影響。由于所選的傳感元件會(huì )發(fā)生電阻損耗，因此始終存在一定程度的自發(fā)熱。TMP117 可配置為單次觸發(fā)模式轉換，并可在連續讀取之間保持關(guān)斷模式，從而最大限度減少自發(fā)熱。TMP117 的單次觸發(fā)特性可以使用可配置數量的平均讀數來(lái)觸發(fā)各個(gè)溫度讀數。人體溫度通常不會(huì )在大約幾秒鐘內就出現變化，因此以 10 到 60 秒的間隔讀取這些讀數足以長(cháng)時(shí)間監測患者體溫。此方法還具有延長(cháng)系統有效電池壽命的額外好處。

系統功率

電源要求將根據整體系統設計而有所不同，但大多數無(wú)線(xiàn)患者監測儀需要有足夠的能量存儲，確保能維持數年的貨架期，并至少有 48 至 72 小時(shí)的有效使用壽命。紐扣電池輕而易舉就能滿(mǎn)足這些能量要求，但它們是完全剛性的，可能會(huì )讓患者感到不舒服。在一次性貼片中，基于紐扣電池的解決方案可能非常浪費。

另一種能量存儲選擇是使用薄膜柔性電池。由于這些電池的存儲容量很小，若要使用這些電池，總系統功耗必須極小。如果僅進(jìn)行間歇性溫度監測，使用柔性電池供電的系統可以輕松滿(mǎn)足具體應用的電池要求，可確保數年的貨架期和 48 至 72 小時(shí)的有效使用時(shí)間。

進(jìn)行系統權衡

雖然遵循布局建議對于滿(mǎn)足 ASTM E1112 和 ISO 80601- 2-56 標準至關(guān)重要，但還有其他系統設計注意事項。為了使患者感到舒適，最好將非溫度監測器件和射頻區域 保持在盡可能小的面積內。保持電路板的填充區域緊湊有助于減小監測儀上使患者感到僵硬的區域。

對于射頻通信，任何能在柔性 PCB 上工作的無(wú)線(xiàn)協(xié)議都是可行的。由于大多數可穿戴式患者監測儀都希望保持低功耗，因此 TI 建議使用低功耗 Bluetooth^? 無(wú)線(xiàn)通信鏈路。如果從監測儀發(fā)送的信息只有溫度，則可以將監測儀配置為連同其配對 ID 一起廣播溫度讀數。以這種方式發(fā)送信息消除了建立和維持實(shí)際連接的必要，甚至可進(jìn)一步降低系統功耗。

要獲得有關(guān)此主題的更多信息，或有關(guān)測量溫度的一般性建議，請參閱表 1 中的相關(guān) TI 內容。