摘 要:介紹集成溫度傳感器的產(chǎn)品分類,并全面系統(tǒng)地闡述智能溫度傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：智能溫度傳感器發(fā)展趨勢(shì) 總線 虛擬傳感器 單片測(cè)溫系統(tǒng)
現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)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(jì)算機(jī)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域,數(shù)量高居各種傳感器之首。近百年來,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(tǒng)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(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)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
1.1模擬集成溫度傳感器
集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的,因此亦稱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(jì)80年代問世的,它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一(僅測(cè)量溫度)、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等,適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫,不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn),外圍電路簡(jiǎn)單。它是目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)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關(guān)、可編程溫度控制器,典型產(chǎn)品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增強(qiáng)型集成溫度控制器(例如TC652/653)中還包含了A/D轉(zhuǎn)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(tǒng),工作時(shí)并不受微處理器的控制,這是二者的主要區(qū)別。
1.3智能溫度傳感器
智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。目前,國(guó)際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)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(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)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(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的,其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。
2 智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢(shì)
進(jìn)入21世紀(jì)后,智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。
2.1提高測(cè)溫精度和分辨力
在20世紀(jì)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(zhuǎn)換器,其測(cè)溫精度較低,分辨力只能達(dá)到1℃。目前,國(guó)外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器,所用的是9~12位A/D轉(zhuǎn)換器,分辨力一般可達(dá)0.5~0.0625℃。由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)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(shù)據(jù),其分辨力高達(dá)0.03125℃,測(cè)溫精度為±0.2℃。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例,它對(duì)本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為27μs、9μs。
2.2增加測(cè)試功能
新型智能溫度傳感器的測(cè)試功能也在不斷增強(qiáng)。例如,DS1629型單線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(chǔ)功能,利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器,可存儲(chǔ)用戶的短信息。另外,智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展,這就為研制和開發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)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(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式,有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式,操作非常簡(jiǎn)便。對(duì)某些智能溫度傳感器而言,主機(jī)(外部微處理器或單片機(jī))還可通過相應(yīng)的寄存器來設(shè)定其A/D轉(zhuǎn)換速率(典型產(chǎn)品為MAX6654),分辨力及最大轉(zhuǎn)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(chǔ)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器,構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng);它們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作,自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀。
2.3總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化
目前,智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,所采用的總線主要有單線(-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。
2.4可靠性及安全性設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器大多采用積分式或逐次比較式轉(zhuǎn)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TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ轉(zhuǎn)換器,它能以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再利用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù),來提高有效分辨力。Σ－Δ式A／D轉(zhuǎn)換器不僅能濾除量化噪聲,而且對(duì)外圍元件的精度要求低。為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作,在AD7416/7417/7817、LM75／76、MAX6625／6626等智能溫度傳感器的內(nèi)部,都設(shè)置了一個(gè)可編程的“故障排隊(duì)(fAultqueue)”計(jì)數(shù)器,專用于設(shè)定允許被測(cè)溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當(dāng)被測(cè)溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達(dá)到或超過所設(shè)定的次數(shù)n(n=1~4)時(shí),才能觸發(fā)中斷端。若故障次數(shù)不滿足上述條件或故障不是連續(xù)發(fā)生的,故障計(jì)數(shù)器就復(fù)位而不會(huì)觸發(fā)中斷端。這意味著假定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(tǒng)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(shè)計(jì)一個(gè)符合ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce,即“先進(jìn)配置與電源接口”)規(guī)范的溫控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護(hù)功能,可用來監(jiān)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(guī)定為tH,臺(tái)式計(jì)算機(jī)一般為75℃,高檔筆記本電腦的專用CPU可達(dá)100℃。一旦CPU或主電路的溫度超出所設(shè)定的上、下限時(shí), INT端立即使主機(jī)產(chǎn)生中斷,再通過電源控制器發(fā)出信號(hào),迅速將主電源關(guān)斷起到保護(hù)作用。此外,當(dāng)溫度超過CPU的極限溫度時(shí),嚴(yán)重超溫報(bào)警輸出端(T_CRIT_A)也能直接關(guān)斷主電源,并且該端還可通過獨(dú)立的硬件關(guān)斷電路來切斷主電源,以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護(hù)措施已成為國(guó)際上設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)的新觀念。
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(hù)電路,一般可承受1000~4000V的靜電放電電壓。通常是將人體等效于由100PF電容和1.2K歐姆電阻串聯(lián)而成的電路模型,當(dāng)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(hào)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承受4000V的靜電放電電壓。
最新開發(fā)的智能溫度傳感器(例如MAX6654、LM83)還增加了傳感器故障檢測(cè)功能,能自動(dòng)檢測(cè)外部晶體管溫度傳感器(亦稱遠(yuǎn)程傳感器)的開路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion,英文縮寫為prc)模式,能抵消遠(yuǎn)程傳感器引線阻抗所引起的測(cè)溫誤差,即使引線阻抗達(dá)到100歐姆,也不會(huì)影響測(cè)量精度。遠(yuǎn)程傳感器引線可采用普通雙絞線或者帶屏蔽層的雙絞線。
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(jì)算機(jī)平臺(tái)、并通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標(biāo)定及校準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。最近,美國(guó)Ｂ＆Ｋ公司已開發(fā)出一種基于軟件設(shè)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(hào)并且附帶一張軟盤,軟盤上存儲(chǔ)著對(duì)該傳感器進(jìn)行標(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時(shí),傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計(jì)算機(jī),首先從計(jì)算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號(hào),再?gòu)能洷P上讀出有關(guān)數(shù)據(jù),然后自動(dòng)完成對(duì)傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)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(shù)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(shù)字傳感器首先將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,再送給微控制器作數(shù)據(jù)處理。最后將測(cè)量結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò),以便實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享,在更換傳感器時(shí)無須進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn),可做到“即插即用(Plug&PlAy)”,這樣就極大地方便了用戶。
2.6單片測(cè)溫系統(tǒng)
單片系統(tǒng)(System On Chip)是21世紀(jì)一項(xiàng)高新科技產(chǎn)品。它是在芯片上集成一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng),其集成度將高達(dá)108~109元件/片,這將給IC產(chǎn)業(yè)及IC應(yīng)用帶來劃時(shí)代的進(jìn)步。半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)對(duì)單片系統(tǒng)集成所作的預(yù)測(cè)見表。目前,國(guó)際上一些著名的IC廠家已開始研制單片測(cè)溫系統(tǒng),相信在不久的將來即可面市。
