深入剖析LM87：硬件監控的全能之選

在電子設備的設計中，硬件監控是保障系統穩定運行的關鍵環節。德州儀器（TI）的LM87作為一款高度集成的數據采集系統，為服務器、個人計算機等基于微處理器的系統提供了全面的硬件監控解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款強大的芯片。

文件下載：lm87.pdf

一、LM87概述

LM87具備7個模擬輸入、一個內部結型溫度傳感器、兩個遠程結溫度傳感通道、一個Delta - Sigma ADC（模數轉換器）、一個DAC輸出、2個風扇速度計數器、WATCHDOG寄存器以及各種輸入輸出接口，還集成了兩線SMBus?串行總線接口。它能夠對個人計算機的電源、溫度、風扇控制和風扇監控等方面進行全面管理。

二、關鍵特性與規格

（一）特性

1. 溫度傳感：支持2通道遠程二極管溫度傳感，同時具備片上溫度傳感器，可實現對內部和外部溫度的精確監測。
2. 電壓監測：擁有8個正電壓輸入，可通過縮放電阻直接監測 +5 V、+12 V、+3.3 V、+2.5 V、Vccp等電源。
3. 風扇監控與控制：2個輸入可選擇用于風扇速度或電壓監測，還配備8位DAC輸出用于控制風扇速度。
4. 其他功能：具備機箱入侵檢測器輸入、WATCHDOG功能，可對所有監測值進行比較，并且兼容SMBus?或I2C串行總線接口，還提供VID0 - VID4或IRQ0 - IRQ4監測輸入。

（二）規格

1. 電壓監測誤差：最大為 ±2 %。
2. 溫度誤差：外部溫度誤差最大為 ±4 °C，內部溫度在 -40 °C 至 +125 °C 范圍內典型誤差為 ±3 °C。
3. 供電范圍：電源電壓范圍為2.8至3.8 V，典型供電電流為0.7 mA。
4. 分辨率：ADC和DAC分辨率均為8位，溫度分辨率為1.0 °C。

三、引腳功能詳解

LM87共有24個引腳，每個引腳都有其特定的功能。例如，ADD/NTEST_OUT引腳通常作為三態輸入控制串行總線地址的兩個最低有效位，在NAND樹測試時還可作為輸出；THERM#引腳可作為溫度中斷的開漏輸出或風扇控制的中斷輸入；SMBData和SMBCLK分別為串行總線的雙向數據和時鐘線等。詳細的引腳功能可參考文檔中的引腳描述表格。

四、電氣特性

（一）直流特性

在 +2.8 V 至 +3.8 V 的電源電壓下，LM87展現出了良好的電氣性能。例如，電源電流在正常模式下典型值為0.7 mA，最大為2.0 mA；溫度 - 數字轉換器的溫度誤差在不同條件下有明確的規格，如使用內部二極管時典型誤差為 ±3 °C 等。

（二）交流特性

在串行總線通信方面，LM87也有嚴格的時序要求。例如，SMBCLK的時鐘周期最小為2.5 μs，SMBCLK和SMBData的上升時間最大為1 μs，下降時間最大為300 ns等。

五、功能描述

（一）模擬輸入

所有模擬輸入電壓都能數字化為8位分辨率。為確保安全和精度，建議在所有模擬電壓輸入處串聯一個510 Ω的電阻。不同模擬輸入的LSB大小、對應特定ADC讀數的輸入電壓等都有詳細的理論值，可通過簡單的乘法運算將數字讀數轉換為電壓值。對于負電源電壓，可通過電阻分壓器將其應用到AIN輸入。

（二）風扇輸入

FAN1和FAN2輸入可接收帶有轉速計輸出的風扇信號。這些輸入是邏輯電平輸入，閾值約為V+/2，能適應風扇轉速計輸出的緩慢上升和下降時間。風扇輸入可通過內部22.5 kHz振蕩器對風扇信號進行計數，從而計算出風扇轉速。默認除數可通過VID/Fan Divisor寄存器進行編程。

（三）DAC輸出

LM87提供一個輸出范圍為0至2.5 V的8位DAC，常用于風扇控制。上電時，DAC提供全輸出，確保風扇以全速運行。在使用時，需注意避免將與該引腳相連的模擬電路驅動電壓超過2.5 V，以免進入NAND樹測試模式。

（四）溫度測量系統

LM87的溫度傳感器和ADC可產生8位二進制補碼溫度數據，能監測一個內部二極管結溫度和最多兩個外部結溫度。溫度數據以8位二進制補碼形式表示，LSB等于1°C。在PCB布局時，為減少噪聲對溫度測量的影響，需遵循一系列布局建議，如在VCC引腳附近放置0.1 μF電源旁路電容，在D+和D - 引腳附近放置2.2 nF電容等。

（五）WATCHDOG限制比較與中斷結構

LM87可根據內部WATCHDOG寄存器對模擬、溫度和風扇輸入產生中斷。中斷源包括機箱入侵、THERM#輸入、IRQ0 - 4等。INT#和THERM#是兩個重要的中斷輸出，INT#系統可將多個錯誤信號組合成一個公共輸出，THERM#則專門用于溫度相關的錯誤條件。中斷狀態寄存器、中斷狀態鏡像寄存器和中斷屏蔽寄存器共同協作，實現對中斷的管理和控制。

六、使用建議

（一）上電操作

上電時，LM87會對部分寄存器進行“上電復位”。通常，上電后的第一步是將WATCHDOG限制寫入Value RAM。

（二）復位操作

除了編程的DAC輸出外，所有寄存器值都可通過將RESET#輸入拉低至少TBD ns或進行配置寄存器初始化來恢復到“上電”默認值。

（三）配置寄存器和通道模式寄存器

這些寄存器控制著LM87的操作，如啟動和停止監控循環、啟用和禁用中斷輸出、配置雙功能輸入等。

（四）啟動轉換

通過寫入配置寄存器1并設置INT_Clear（位3）為低，Start（位0）為高，可啟動LM87的監控功能。監控過程大約每0.3 s對所有模擬輸入、溫度和風扇速度輸入進行一次“循環”監測。

（五）讀取轉換結果

轉換結果存儲在Value RAM中，可隨時讀取。但為確保數據的準確性，讀取單個值的頻率不應超過每56 ms一次，讀取所有值時，兩組值之間的讀取間隔應至少為0.6秒。

七、典型應用

在PC應用中，LM87可監測溫度、2個風扇的速度以及6個電源電壓，還能監測光學機箱入侵檢測器。同時，它提供的DAC輸出可用于控制風扇速度，為系統的穩定運行提供了有力保障。

八、總結

LM87以其豐富的功能、高精度的監測能力和靈活的配置選項，成為了硬件監控領域的一款優秀芯片。無論是在服務器、工作站還是個人計算機等應用中，它都能發揮重要作用。作為電子工程師，在設計硬件監控系統時，LM87無疑是一個值得考慮的選擇。你在使用LM87的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。