簡化微控制器與溫度傳感器的接口

溫度是一個模擬量，但數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)常用到溫度來完成測量、控制和保護等功能。如果使用合適的技術(shù)和器件，從模擬溫度到數(shù)字信息所必需的轉(zhuǎn)換將很容易。本文討論了溫度比較器、PWM輸出溫度傳感器以及遠端二極管(或溫度二極管)溫度傳感器。

溫度是一個模擬量，但數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)常用到溫度來完成測量、控制和保護等功能。如果使用合適的技術(shù)和器件，從模擬溫度到數(shù)字信息所必需的轉(zhuǎn)換將很容易。

用微控制器(μC)讀取溫度值在理論上很簡單。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將熱敏電阻分壓器、模擬輸出溫度傳感器或其它模擬溫度傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)碼，然后由μC讀取即可(圖1)。對于有些內(nèi)置ADC的控制器能夠簡化一些設(shè)計。ADC需要一個基準(zhǔn)電壓，可由一個外部元件產(chǎn)生。例如，用于熱敏電阻傳感器的基準(zhǔn)電壓通常與加在電阻-熱敏電阻分壓器頂端的電壓相同。然而，這類系統(tǒng)存在下述問題：
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• 傳感器輸出電壓范圍遠小于ADC輸入電壓范圍。這種用途的典型ADC一般具有8位分辨率和一個2.5V的基準(zhǔn)電壓(該電壓通常等于輸入電壓范圍)。如果在所測溫度范圍內(nèi)傳感器的最大輸出只有1.25V，那么有效分辨率實際只有7位。為了能夠達到8位分辨率，或者外加運放來提高增益，或者降低ADC的基準(zhǔn)電壓(這可能會使某些ADC的精度受損)。
• 誤差分配緊張。將熱敏電阻或模擬傳感器的誤差與來自于ADC、放大器失調(diào)、增益設(shè)置電阻容差和電壓基準(zhǔn)等的誤差貢獻綜合起來考慮，可能會發(fā)現(xiàn)總誤差已經(jīng)超出了系統(tǒng)所允許的容限。
• 想獲得線性的溫度-代碼傳遞函數(shù)，而你正在使用熱敏電阻。熱敏電阻的傳遞函數(shù)具有很嚴(yán)重的非線性，不過，如果只需在很窄的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用的話，它還可滿足要求。當(dāng)然還可以通過查表方式進行線性補償，但系統(tǒng)可能無法滿足這種方案的資源需求。
• ADC輸入通道有限。多點溫度測量時，如果需要測量的點數(shù)超過了ADC的輸入通道數(shù)，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時間。
• μC的I/O引腳數(shù)有限。對于內(nèi)置ADC的微控制器不存在這個問題，但當(dāng)采用外部串行ADC時則需要2至4個I/O引腳與μC接口。

圖1. 在這個簡單接口中，ADC的基準(zhǔn)電壓取自電源電壓。可用模擬溫度傳感器取代熱敏電阻-電阻分壓器。在此情況下，ADC (有可能內(nèi)置于μC)需要一個足夠精度的電壓基準(zhǔn)。

如果采用數(shù)字接口的溫度傳感器，上述設(shè)計問題將得以簡化。同樣，當(dāng)ADC輸入通道和μC的I/O引腳短缺時，采用時間或頻率輸出的溫度傳感器也能夠解決上述測量問題(圖2)。以MAX6576溫度傳感器為例，它輸出的方波信號具有正比于絕對溫度的周期。采用6引腳SOT23封裝，僅占很小的電路板空間。該器件通過一個I/O引腳與μC接口，利用μC的內(nèi)部計數(shù)器測出周期后就可計算出溫度。


圖2. MAX6576輸出方波的周期正比于絕對溫度，MAX6577的輸出頻率正比于絕對溫度。比例常數(shù)通過TS0和TS1引腳在四種值中選擇其一，無需外圍元件。

將兩個邏輯輸入引腳分別接地或正電源電壓，可以從四個介于10μs/°K到640μs/°K之間的周期/溫度比例常數(shù)中選擇一個適當(dāng)參數(shù)。

另外一種類似的溫度傳感器(MAX6577)輸出方波信號，其頻率/溫度系數(shù)能夠在0.0675Hz/°K和4Hz/°K之間設(shè)定。這兩種器件不僅簡化了溫度的測量，而且節(jié)省了PCB的實際成本、元件數(shù)目和模擬/數(shù)字I/O資源。它們能夠通過單個數(shù)字I/O引腳將溫度數(shù)據(jù)傳遞至μC，并且只需增加一個光電隔離器就可以實現(xiàn)傳感器和CPU之間的隔離，使它們非常適合于要求電氣隔離的應(yīng)用。

對于要求測量多點溫度的應(yīng)用，方案選擇更為復(fù)雜。將熱敏電阻或傳統(tǒng)的模擬傳感器放置在合適的位置，并連接至ADC輸入端，前提是ADC必須具備足夠的輸入端。作為另外一種選擇，MAX6575能夠直接將溫度數(shù)據(jù)傳給μC，并且最多可以將八個MAX6575掛在同一條μC的I/O輸入上。只需一條簡單的I/O線將8只MAX6575連接至μC即可(圖3)。測量溫度時，μC短暫地拉低I/O線，經(jīng)過短時間延時后，第一片MAX6575拉低I/O線。這個延時正比于絕對溫度值，比例常數(shù)可通過MAX6575的兩個引腳設(shè)定。


圖3. 采用延時方式編碼溫度信息，最多至8片MAX6575可通過一個數(shù)字I/O引腳將8個溫度信息傳送給μC。

第一個傳感器將信號線拉低，并保持一個正比于溫度(5μs/°K)的間隙后釋放。第二片MAX6575通過編程引腳選擇為更大的延時系數(shù)，經(jīng)過第二個延時時間后拉低I/O線并保持一段由5μs/°K常數(shù)決定的間隔。按照這種方式，四片MAX6575被連接到一條I/O線上。除此之外，還可在同一條I/O線上加掛另外四片更長延時的MAX6575。MAX6575L的延時系數(shù)介于5μs/°K至80μs/°K，MAX6575H的延時系數(shù)介于160μs/°K至640μs/°K之間。這樣，多達8片MAX6575能夠安裝在系統(tǒng)周圍的不同位置，通過一條I/O線連接至μC。

對于有些系統(tǒng)，并不需要知道精確的溫度值，只要了解溫度是否高于或低于某特定值即可。該信息用來觸發(fā)風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其它環(huán)境控制單元。在系統(tǒng)保護應(yīng)用中，“過溫位”用來觸發(fā)有序的系統(tǒng)停機，避免系統(tǒng)電源切斷造成數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)然，這個單位信息也可以通過上例所述的溫度測量來得到，但相對于這個簡單功能來講上述方法所需的軟件和硬件開銷過多。

用一個電壓比較器取代圖1中的ADC，產(chǎn)生的1位輸出可驅(qū)動μC的一個I/O引腳(圖4)。同樣，圖中的熱敏電阻也可以由模擬電壓輸出的溫度傳感器代替。大多數(shù)此類器件的輸出電壓與溫度的關(guān)系與電源電壓無關(guān)。為避免電源電壓變化的影響，將比較器的電阻分壓器頂端連接至電壓基準(zhǔn)而非電源電壓。


圖4. 將傳感器和比較器相結(jié)合，產(chǎn)生的1位數(shù)字輸出能夠警告μC溫度變化超出了預(yù)先規(guī)定的門限值。

如果將傳感器-比較器組合電路替換為溫度開關(guān)，如MAX6501，則系統(tǒng)得到進一步簡化。這種單片器件結(jié)合了傳感器、比較器、電壓基準(zhǔn)和外部電阻等多種功能。當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)門限時，漏極開路輸出變低。該系列中還有一些器件在溫度低于設(shè)定門限時開漏輸出變低(MAX6503)，另外一些為推/挽式輸出，在溫度高于或低于設(shè)定門限時輸出變高(MAX6502，圖5，或MAX6504)。此外，通過一個引腳接V+或接地，可設(shè)置2°C或10°C的滯回。現(xiàn)有的門限溫度介于-45°C至+115°C之間，間隔10°C。


圖5. 當(dāng)溫度超出預(yù)設(shè)的門限值時，MAX6502產(chǎn)生邏輯高輸出。

正如MAX6575一樣，也可以將多片MAX6501或MAX6503連接到單條I/O線上，當(dāng)一點或多點的溫度越過門限時通知μC。如果系統(tǒng)必須知道哪些位置溫度越限，則每個開關(guān)必須連接到單獨的I/O引腳。

上述傳感器測量的是其自身管芯的溫度，由于管芯溫度接近于引線溫度，所以每個傳感器必須安置在與被監(jiān)視元件有良好熱耦合的位置。然而，有些情況下，必須監(jiān)測的溫度無法緊耦合至傳感器—例如功率ASIC，其管芯要比四周電路板熱得多。采用一個內(nèi)置的溫度傳感器可以使ASIC出現(xiàn)過熱故障時關(guān)斷，但這種方法仍然不夠精確，并且不能在故障出現(xiàn)前給系統(tǒng)提供警告信息。

給ASIC管芯增加一個可外部連接的p-n結(jié)就能夠直接測量管芯溫度，只需給其施加兩種或兩種以上的正向電流，并分別測出結(jié)電壓。兩電壓之差正比于管芯絕對溫度：



其中，I1和I2是施加于p-n結(jié)的正向電流，V1和V2是相應(yīng)的正向結(jié)電壓，k是波耳茲曼常數(shù)，T是絕對結(jié)溫(單位為開爾文)，q是電子電荷。

但是，這種測量方法需要產(chǎn)生精密電流比和測量微小電壓差的精密電路，同時還要克服功率ASIC管芯因大幅電平跳變帶來的噪聲。令人欣慰的是，Maxim的遠端結(jié)溫傳感器已將這些精密的模擬單元和簡單靈活的數(shù)字接口集成起來了。

以MAX6654為例，它能夠以8位分辨率(1°C)測量遠端結(jié)溫，并通過SMBus接口將結(jié)果傳給μC (圖6)。該器件最初被設(shè)計用來監(jiān)測PC機內(nèi)CPU的溫度，它還具有其它一些能夠減輕控制器負擔(dān)的特性。例如，MAX6654采用窗口比較器監(jiān)測遠端結(jié)溫，當(dāng)溫度高于或低于預(yù)先從μC寄存器中下載的門限值時中斷μC。μC一旦在啟動時設(shè)定好溫度門限后，就可以放手MAX6654，直到溫度出現(xiàn)異常，需要μC處理為止，而不需要不斷對MAX6654進行查詢。


圖6. 通過施加電流并測量正向結(jié)電壓，MAX6654能夠測出一個外部P-N結(jié)(位于分立晶體管、ASIC或CPU內(nèi))的溫度。

MAX6654采用10引腳μMAX?封裝，可靠近待測結(jié)放置。縮短待測結(jié)和MAX6654之間的連線長度有助于降低噪聲干擾。