低成本的微處理器系統溫度監控器

摘要：ADM1021是美國ADI公司出品的一種數字溫度計IC。它具有精度高，價(jià)格低，體積小等特點(diǎn)，是便攜式設備中不可缺少的器件。文章詳細介紹了ADM1021的工作原理、技術(shù)性能、設計參數、應用范圍以及注意事項。

關(guān)鍵詞：串行接口 信號調理 溫度監控 ADM1021

1 引言

ADM1021是雙通道的數字溫度計集成電路，同時(shí)可兼做低溫/高溫報警器，非常適用于需要溫度監控的個(gè)人計算機及其系統。該器件通過(guò)連接的PNP晶體管可以測量微處理器的溫度，而PNP晶體管可由奔騰II或類(lèi)似的處理器芯片，或者由分立的PNP/NPN器件來(lái)提供，比如2N3904/2N3906等。ADM1021采用了新穎的測量方法，從而消除了晶體管的基極射極電壓絕對值。第二個(gè)測量通道可用于測量芯片上溫度傳感器的輸出，以監控器件及周?chē)沫h(huán)境溫度。ADM1021通過(guò)一個(gè)與系統控制總線(xiàn)（SM總線(xiàn)）相兼容的雙線(xiàn)串行接口與外界相加，并可通過(guò)串行總線(xiàn)把低溫或高溫極限值輸入到器件中。當芯片或遠程溫度超過(guò)范圍時(shí)，ALERT引腳就會(huì )有信號輸出以作為中斷或SM總線(xiàn)的警報信號。ADM1021可廣泛應用于臺式機和筆記本電腦等領(lǐng)域，同時(shí)，在通訊系統中也具有廣泛的應用前景。

2 主要技術(shù)性能

圖1是ADM1021的引腳排列圖。表1給出了各引腳的功能說(shuō)明。

表1 引腳功能介紹

ADM1021內含一個(gè)雙通道的A/D轉換器，利用其特殊的輸入信號調理功能可對遠程或芯片上的溫度傳感器進(jìn)行操作。在正常工作時(shí)，其A/D轉換器一般工作在自由運行模式，因此可用模擬輸入多路器來(lái)選擇芯片上的溫度傳感器或遠程溫度傳感器以測量本地或遠程溫度。對這些信號通過(guò)ADC進(jìn)行數字轉換，把結果存入8位本地或遠程溫度寄存器中，然后把測量結果與芯片上的4個(gè)寄存器的高低溫度極限值進(jìn)行比較。如果超過(guò)極限值，將產(chǎn)生標志字并交其存入狀態(tài)寄存器，同時(shí)將ALERT端的輸出變低。

ADM1021中的極限寄存器是可編程的，因而可通過(guò)串聯(lián)的系統控制總線(xiàn)對儀器進(jìn)行設置和控制。其控制和設置功能包括：器件工作在正常模式或待機模式、屏蔽或使能ALERT的輸出以及選擇轉換率等。

3 工作原理

測量溫度的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是在恒定電流情況下使用二極的負溫度系數或者晶體管的基極一射極電壓。但這種技術(shù)需要消除Vbe絕對值的影響，而Vbc絕對值是隨器件的不同而變經(jīng)的。ADM1021可通過(guò)測量器件在兩個(gè)不同電流時(shí)Vbe的差值來(lái)消除其影響。具體公式為：

Δvbe=KT/qln(N)

其中，K是波耳茲曼常數，q是電子電量（1.6×10 -9庫公侖），T是絕對溫度，單位為開(kāi)爾文，N是兩電流比值。

圖2是用于測量外部溫度傳感器輸出值的輸入信號調理功能圖。若用晶體管作為外部溫度傳感器在微處理器上進(jìn)行溫度監控時(shí)，如果使用的是分立晶體管，則集電極不接地而應與基極相連。如果傳感器在噪聲環(huán)境下工作，則應加入C1以濾去噪聲。C1通?？蛇x為2200pF，并不能超過(guò)3300pF。

為了測量Δvbe，傳感器的工作電流應在I與N×I之間，其輸出波形通過(guò)65kHz的低通濾波器濾波后送入一個(gè)放大器進(jìn)行放大。放大器的功能是放大和修正波形，以提供Δvbe成比例的直流電壓。ADC測量到這個(gè)電壓后將給出8位溫度輸出。另外，也可以通過(guò)用數字濾波器取測量平均值的方法來(lái)消除噪聲的影響。其內部溫度傳感器的信號調理和測量是以相同方式來(lái)進(jìn)行的。表2是ADM1021的溫度數據表。

表2 溫度數據表

雖然理論上利用ADM1021可以測量-128℃～+127℃的溫度，然而實(shí)際的最低溫度限制為-65℃，這是由器件的最大標稱(chēng)值所決定的。因為本地或遠程溫度值寄存器的測量結果在存入到本地或遠程溫度值寄存器中時(shí)，要與高低溫極限寄存器中的極限值進(jìn)行比較。

ADM1021利用內部9個(gè)寄存器來(lái)設置或控制器件，以分別用于存儲本地或遠程溫度測量結果和高低溫極限值。表3列出了ADM1021各寄存器的工作情況。需要注意的是：各寄存器是雙口的，其讀寫(xiě)操作有不同的地址。向讀地址中寫(xiě)或從寫(xiě)地址中讀都是非法的。0FH以上的寄存器地址是作為將來(lái)使用或取來(lái)于工廠(chǎng)檢測的，因此不能進(jìn)行寫(xiě)操作。

表3 ADM1021的寄存器列表

ADM1021的寫(xiě)操作包括1個(gè)或2個(gè)字節，而讀操作只包括1個(gè)字節。在向器件數據寄存器中寫(xiě)數據時(shí)，第一個(gè)字節總是包括一個(gè)存在地址指針寄存器中的有效地址。如果數據即將被寫(xiě)入器件，則寫(xiě)操作的第2個(gè)字節應寫(xiě)入到由地址指針寄存器選定的寄存器中。其過(guò)程進(jìn)序見(jiàn)圖3所示。

在R/W置0后，器件地址將通過(guò)總線(xiàn)送入。第一個(gè)數據字節是即將被寫(xiě)入的內部數據寄存器的地址，它存在于地址指針寄存器中，而第二個(gè)數據字節將被寫(xiě)入內部數據寄存器中。

從寄存器中讀取數據時(shí)，如果ADM1021的地址指針值未知或不指定值，那篤，在從指定的數據寄存器中讀取數據之前需要把它設定為正確值，這可以通過(guò)向ADM1021進(jìn)行寫(xiě)操作來(lái)執行。讀操作包括時(shí)序總線(xiàn)地址、R/W位置1以及從數據寄存器中讀取數據字節等。此過(guò)程如圖4所示。

如果地址指針值寄存器已經(jīng)指向指定的地址，那么數據即可從相應的數據寄存器中讀出而不必先向地址指針寄存器中寫(xiě)地址。需要注意的是：ADM1021的讀、寫(xiě)操作地址不同的。

4 設計應用

4.1 遠程傳感二極管的選擇

ADM1021可與微處理器中的吸收晶體管或分立的晶體管一起組成一個(gè)溫度監控系統，在微處理器中的晶體管一般為PNP型，而分立器件則不受PNP或NPN型限制。使用NPN型晶體管時(shí)，把晶體管的集電極和基極連到ADM1021的D+，發(fā)射極連到D-。如果使用PNP型管，則應將集電極和其極連至D-，發(fā)射極連到D+端。在使用分立的晶體管時(shí)，為了提高其測量的準確性，一般應遵循以下選擇原則：

（1）當基極-發(fā)射極工作在最高溫度時(shí)，應保證其電流為6μA，并使其電壓大于0.25V；

（2）當基極-發(fā)射極工作在最低溫度時(shí)，應保證其電流為100μA，并使其電壓小于0.95V；

（3）晶體管的基極電阻應小于100Ω。

按照以上原則，應用時(shí)可選用類(lèi)似于2N3904，2N3906或SOT-23這樣的器件。

4.2 溫度慣性與自動(dòng)加熱

溫度測量的準確性依賴(lài)于測量情況下遠程溫度傳感器或內部溫度傳感器的溫度值。理論上，傳感器應與系統的待測部分（比如微處理器）有很好的溫度接觸。但如果實(shí)際中并是如此，那么將會(huì )導致傳感器的溫度慣性使其對溫度變化的響應產(chǎn)生遲滯。這在遠程傳感器中問(wèn)題不大，因為它使用的是微處理器的吸收晶體管或像SOT-23這樣的小器件，而且芯片上的傳感器離微處理器也很遠。因此，溫度時(shí)間常數大約是10秒。在實(shí)際應用中，由自動(dòng)加熱引起溫度升高可以忽略。

5 結束語(yǔ)

ADM1021是一種精度比較高的雙通道數字測溫兼警報器件。與其它同類(lèi)產(chǎn)品相比，它具有設計新穎，性能穩定，使用方便，價(jià)格便宜等特點(diǎn)。在各類(lèi)計算機、遠程或本地溫度傳感及通訊系統中具有廣泛的應用前景