智能溫度傳感器的發(fā)展趨勢

現代信息技術(shù)的三大基礎是信息采集（即傳感器技術(shù)）、信息傳輸（通信技術(shù)）和信息處理（計算機技術(shù)）。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數量高居各種傳感器之首。近百年來(lái)，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段；（1）傳統的分立式溫度傳感器（含敏感元件）；（2）模擬集成溫度傳感器/控制器；（3）智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。

1 集成溫度傳感器的產(chǎn)品分類(lèi)

1.1 模擬集成溫度傳感器

集成傳感器是采用硅半導體集成工藝而制成的，因此亦稱(chēng)硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問(wèn)世的，它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專(zhuān)用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價(jià)格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控測，不需要進(jìn)行非線(xiàn)性校準，外圍電路簡(jiǎn)單。它是目前在國內外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有 AD590、AD592、TMP17、LM135等。

1.2 模擬集成溫度控制器

模擬集成溫度控制器主要包括溫控開(kāi)關(guān)、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增強型集成溫度控制器（例如 TC652/653）中還包含了A/D轉換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統，工作時(shí)并不受微處理器的控制，這是二者的主要區別。

1.3 智能溫度傳感器

智能溫度傳感器（亦稱(chēng)數字溫度傳感器）是在20世紀90年代中期問(wèn)世的。它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù)（ATE）的結晶。目前，國際上已開(kāi)發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器（或寄存器）和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數據及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基礎上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現測試功能的，其智能化和諧也取決于軟件的開(kāi)發(fā)水平。

2 智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢

進(jìn)入21世紀后，智能溫度傳感器正朝著(zhù)高精度、多功能、總線(xiàn)標準化、高可靠性及安全性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò )傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發(fā)展。

2.1 提高測溫精度和分辨力

在20 世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到1℃。目前，國外已相繼推出多種高速度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是9～12位A/D轉換器，分辨力一般可達0.5～0.0625℃。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數據，其分辨力高達0.03125℃，測溫精度為±0.2℃。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時(shí)間分別僅為27μs、9μs。

2.2 增加測試功能

新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，DS1629型單線(xiàn)智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘（RTC），使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內部256字節的E2PROM存儲器，可存儲用戶(hù)的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開(kāi)發(fā)多路溫度測控系統創(chuàng )造了良好條件。

智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉換模式、連續轉換模式、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式，操作非常簡(jiǎn)便。對某些智能溫度傳感器而言，主機（外部微處理器或單片機）還可通過(guò)相應的寄存器來(lái)設定其A/D轉換速率（典型產(chǎn)品為MAX6654），分辨力及最大轉換時(shí)間（典型產(chǎn)品為DS1624）。

智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎上發(fā)展而成的。典型產(chǎn)品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能溫度控制器適配各種微控制，構成智能化溫控系統；它們還可以脫離微控制器單獨工作，自動(dòng)構成一個(gè)溫控儀。

2.3 總線(xiàn)技術(shù)的標準化與規范化

目前，智能溫度傳感器的總線(xiàn)技術(shù)也實(shí)現了標準化、規范化，所采用總線(xiàn)主要有單線(xiàn)（1-Wire）總線(xiàn)、I2C總線(xiàn)、SMBus總線(xiàn)和SPI總線(xiàn)。溫度傳感器作為從機可通過(guò)專(zhuān)用總線(xiàn)接口與主機進(jìn)行通信。

2.4 可靠性及安全性設計

傳統的A/D轉換器大多采用積分式或逐次比較式轉換技術(shù)，其噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差。新型智能溫度傳感器（例如TMP03/204、LM74、LM83）普遍采用了高性能的∑-Δ式A/D轉換器不僅能濾除量化噪聲，而且對外圍元件的精度要求低；由于采用數字反饋方式，因此比較器的失調電壓及零點(diǎn)漂移都不會(huì )影響溫度的轉換精度。這種智能溫度傳感器兼有抑制串模干擾能力強、分辨力高、線(xiàn)性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

為了避免在溫控系統受到噪聲干擾時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作，在A(yíng)D7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內部，都設置了一個(gè)可編程的“故障排隊（fault queue）”計數器，專(zhuān)用于設定允許被測溫度值超過(guò)上、下限的次數。僅當被測溫度連續超過(guò)上限或低于下限的次數達到或超過(guò)所設定的次數n(n=1～4) 時(shí)，才能觸發(fā)中斷端。若故障次數不滿(mǎn)足上述條件或故障不是連續發(fā)生的，故障計數器就復位而不會(huì )觸發(fā)中斷端。這意味著(zhù)假定n=3時(shí)，那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾，都不會(huì )影響溫控系統的正常工作。

LM76 型智能溫度傳感器增加了溫度窗口比較器，非常適合設計一個(gè)符合ACPI（Advanced Configuration and Power Interface，即“先進(jìn)配置與電源接口”）規范的溫控系統。這種系統具有完善的過(guò)熱保護功能，可用來(lái)監控筆記本電腦和服務(wù)器中CPU及主電路的溫度。微處理器最高可承受的工作溫度規定為tH，臺式計算機一般為75℃，高檔筆記本電腦的專(zhuān)用CPU可達100℃。一旦CPU或主電路的溫度超出所設定的上、下限時(shí)，INT端立即使主機產(chǎn)生中斷，再通過(guò)電源控制器發(fā)出信號，迅速將主電源關(guān)斷起到保護作用。此外，當溫度超過(guò)CPU的極限溫度時(shí)，嚴重超溫報警輸出端（T_CRIT_A）也能直接關(guān)斷主電源，并且該端還可通過(guò)獨立的硬件判斷電路來(lái)切斷主電源，以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護措施已成為國際上設計溫控系統的新觀(guān)念。

為防止因人體靜電放電（ESD）而損壞芯片。一些智能溫度傳感器還增加了ESD保護電路，一般可承受1000～4000V的靜電放電電壓。通常是將體等效于由100pF電容1.2kΩ電阻串聯(lián)而成的電路模型，當人體放電時(shí)，TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號輸出端和地址輸入端均可承受1000V的靜電放電電壓。LM83型智能溫度傳感器則可隨4000V的靜電放電電壓。

最新開(kāi)發(fā)的智能溫度傳感器（例如MAX6654、LM83）還增加了傳感器故障檢測功能，能自動(dòng)檢測外部晶體管溫度傳感器（亦稱(chēng)遠程傳感器）的開(kāi)路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄存阻抗抵消”（Parasitic Resistance Cancellation，英文縮寫(xiě)為PRC）模式，能抵消遠程傳感器引線(xiàn)阻抗所引起的測溫誤差，即使引線(xiàn)阻抗達到100Ω，也不會(huì )影響測量精度。遠程傳感器引線(xiàn)可采用普通雙絞線(xiàn)或者帶屏蔽層的雙絞線(xiàn)。

2.5 虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò )溫度傳感器

（1）虛擬傳感器

虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準，以實(shí)現最佳性能指標。最近，病因BK公司已開(kāi)發(fā)出一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點(diǎn)是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號并且附帶一張軟盤(pán)，軟盤(pán)上存儲著(zhù)對該傳感器進(jìn)行標定的有關(guān)數據。使用時(shí)，傳感器通過(guò)數據采集器接至計算機，首先從計算機輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號，再從軟盤(pán)上讀出有關(guān)數據，然后自動(dòng)完成對傳感器的檢查、傳感器參數的讀取、傳感器設置和記錄工作。

（2）網(wǎng)絡(luò )溫度傳感器

網(wǎng)絡(luò )溫度傳感器是包含數字傳感器、網(wǎng)絡(luò )接口和處理單元的新一代智能傳感器。數字傳感器首先將被測溫度轉換成數字量，再送給微控制器作數據處理。最后將測量結果傳輸給網(wǎng)絡(luò )，以便實(shí)現各傳感器之間、傳感器與執行器之間、傳感器與系系統之間的數據交換及資源共享，在更換傳感器時(shí)無(wú)須進(jìn)行標定和校準，可做到“即插即用（Plug Play）”，這樣就極大地方便了用戶(hù)。

表1 單片系統集成的發(fā)展預測

2.6 單片測溫系統

單片系統（System On Chip）是21世紀一項高新科技產(chǎn)品。它是在芯片上集成一個(gè)系統或子系統，其集成度將高達10 8～10 9元件/片，這將給IC產(chǎn)業(yè)及IC應用帶來(lái)劃時(shí)代的進(jìn)步。半導體工業(yè)協(xié)會(huì )（SIA）對單片系統集成所作的預測見(jiàn)表1。目前，國際上一些著(zhù)名IC廠(chǎng)家已開(kāi)始研制單片機測溫系統，相信在不久的將來(lái)即可面市。