帶I2C接口的數(shù)字溫度傳感器TMP101及其應用

摘要：TMP101是TI公司生產(chǎn)的12位低功耗、高精度數(shù)字溫度傳感器，較寬的溫度測量范圍和較高的分辨率使其可以廣泛應用于許多溫度測量場合。TMP101可通過串行總線接口方便地與數(shù)字系統(tǒng)相連，同時還具有關(guān)閉模式和報警輸出。文中介紹了TMP101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要特性，并給出了與PrPMC800模塊的接口應用。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；I2C；SMBus；PrPMC800；TMP101

１?。裕停校保埃钡囊_功能和主要特性

ＴＭＰ１０１是ＴＩ公司生產(chǎn)的１２位低功耗、高精度的數(shù)字溫度傳感器?它采用與Ｉ２Ｃ和ＳＭＢｕｓ相兼容的２線數(shù)字接口，可應用于許多高分辨率和寬量程溫度測量場合，如溫度控制系統(tǒng)、個人計算機保護、電子測試儀器、辦公設(shè)備以及生物醫(yī)學儀器等方面。ＴＭＰ１０１采用６腳ＳＯＴ２３封裝，其引腳排列如圖１所示，引腳功能如下：

１腳ＳＣＬ：串行總線時鐘，ＣＭＯＳ電平；

２腳ＧＮＤ：接地腳；

３腳ＡＬＥＲＴ：總線報警輸出，開路；

４腳 Ｖ＋：電源；

５腳 ＡＤＤ０：用戶設(shè)置的地址輸入；

６腳 ＳＤＡ：串行數(shù)據(jù)線，ＣＭＯＳ電平，雙向，開路；

ＴＭＰ１０１的供電電壓范圍為２．７～５．５Ｖ，轉(zhuǎn)換精度在９～１２ｂｉｔｓ可選，分辨率高達０．０６２５℃。器件工作溫度為－５５℃～１２５℃，最大測量溫度超過１５０℃，同時它還具有以下特點：

● 帶有串行總線接口；

●具有節(jié)省功耗的關(guān)閉模式；

●一條Ｉ２Ｃ總線可連接３個ＴＭＰ１０１器件；

●可編程的溫度上下限寄存器及開路中斷輸出；

●溫度轉(zhuǎn)換速度比同類產(chǎn)品高，單片報價較低。

圖２是ＴＭＰ１０１的典型連接電路，由于其內(nèi)部集成了高精度溫度傳感器，所以除了部分信號線需要加上拉電阻外，不需要外接任何元件。當測量溫度超過所設(shè)定的窗口極限時,通過ＡＬＥＲＴ信號線向主控器發(fā)出中斷信號進行報警。

表1 配置寄存器的數(shù)據(jù)格式

２ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寄存器功能

ＴＭＰ１０１內(nèi)部帶有數(shù)字溫度傳感器、溫度窗口比較器和Ｉ２Ｃ串行總線接口。通過一個帶隙型溫度傳感器和一個１２位Δ－Σ ＡＤ轉(zhuǎn)換器將所采集的溫度存儲在內(nèi)部的溫度寄存器中。器件根據(jù)用戶在溫度上下限寄存器中設(shè)定的ＴＨＩＧＨ和ＴＬＯＷ來在溫度窗口比較器中決定是否啟動報警輸出?？刂疲裕停校保埃钡闹鳈C可以對溫度窗口的上、下限進行設(shè)置，ＴＭＰ１０１自身的可編程遲滯特性與故障隊列能將誤報情況減至最少。系統(tǒng)上電后器件處于一種缺省閾值狀態(tài)，其溫度報警缺省閾值為：下限溫度ＴＬＯＷ＝７５℃，上限溫度ＴＨＩＧＨ＝８０℃。ＴＭＰ１０１的功能實現(xiàn)和工作方式主要由內(nèi)部的５個寄存器來確定，這些寄存器分別是地址指針寄存器（Ｐｏｉｎｔ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、溫度值寄存器（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、配置寄存器（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、溫度上限寄存器（ ＴＨＩＧＨ Ｒｅｇ-ｉｓｔｅｒ）和溫度下限寄存器（ＴＬＯＷ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）。其中器件的工作方式主要通過對配置寄存器的配置來實現(xiàn)，配置寄存器的數(shù)據(jù)格式見表１所列，各數(shù)據(jù)位的具體說明如下：

Ｒ１／Ｒ０: 溫度傳感器分辨率配置位。通過對該兩位的配置，可以控制溫度傳感器的轉(zhuǎn)換分辨率，同時也可以控制轉(zhuǎn)換時間，而且分辨率越高，轉(zhuǎn)換時間也就越長；

Ｆ１／Ｆ０:錯誤隊列配置位。只有溫度連續(xù)超過限制ｎ次后，報警才會輸出，參數(shù)ｎ由Ｆ１／Ｆ０來設(shè)置，設(shè)置錯誤隊列的目的是用來防止環(huán)境噪聲對報警輸出的影響；

ＰＯＬ：ＡＬＥＲＴ極性位。通過ＰＯＬ的設(shè)置，可以使控制器和ＡＬＥＲＴ輸出的極性一致；

ＴＭ：設(shè)置器件工作在比較模式還是中斷模式，ＴＭ為１時工作在中斷模式，ＴＭ為０時工作在比較模式；

ＳＤ：設(shè)置器件是否工作在關(guān)斷模式，ＳＤ為１時為關(guān)斷模式，ＳＤ為０時為正常工作方式；

ＯＳ／ＡＬＥＲＴ:在關(guān)斷模式下，向該位寫１，可以開啟一次溫度轉(zhuǎn)換；在溫度比較模式下，該數(shù)據(jù)位可提供比較模式的狀態(tài)；

３ 工作方式與串行接口

３．１ 工作方式

正常工作方式下，當所采集的溫度在上下限之外時，ＴＭＰ１０１會根據(jù)配置寄存器中的ＴＭ狀態(tài)來決定器件是工作在比較模式還是中斷模式。當工作在比較模式下時，所采集的溫度等于或大于ＴＨＩＧＨ時，比較器將激活ＡＬＥＲＴ告警輸出，提醒主機當前工作溫度不正常，只有當溫度低于ＴＬＯＷ時，ＡＬＥＲＴ信號才恢復正常。正常工作時，默認方式為比較模式。當器件工作在中斷模式下，且所采集的溫度在上下限之外時，比較器都會激活ＡＬＥＲＴ報警輸出，只有在對寄存器進行讀操作或者器件在關(guān)斷模式下時，ＡＬＥＲＴ信號才恢復正常?在此種模式下可進行系統(tǒng)的耐溫測試。

另外，器件還具有節(jié)能的關(guān)斷模式，如果選擇該模式，當前的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束后，器件會自動關(guān)斷，此時電流消耗只有１ｕＡ，只有向配置寄存器的ＯＳ／ＡＬＥＲＴ位寫１才可以開啟下一次溫度轉(zhuǎn)換。該模式由配置寄存器的ＳＤ數(shù)據(jù)位來設(shè)定。

３．２ 串行接口

ＴＭＰ１０１的２線分別是數(shù)據(jù)線ＳＤＡ和時鐘線ＳＣＬ，當它作為從器件在串行總線上運行時，ＳＣＬ線是輸入線，ＳＤＡ線是雙向串行數(shù)據(jù)線。另外，根據(jù)串行總線規(guī)范，ＴＭＰ１０１有一個７位受控地址，受控地址中的最高有效位設(shè)為“１００１０”，另外兩個最低有效位通過管腳ＡＤＤ０來控制。當ＳＣＬ為高電平時?ＳＤＡ的數(shù)據(jù)應當保持穩(wěn)定?否則?任何ＳＤＡ的變化都被視為控制信號。ＴＭＰ１０１在傳送數(shù)據(jù)過程中共有開始信號、結(jié)束、應答三種信號類型。

(１) Ｉ２Ｃ總線通信協(xié)議

只有當總線不忙時，才可以開始傳送數(shù)據(jù)。

在傳送數(shù)據(jù)期間，時鐘信號線為高電平時，數(shù)據(jù)線ＳＤＡ必須保持不變，只有在啟動／停止狀態(tài)信號到來后，數(shù)據(jù)線ＳＤＡ才能改變。

(２) 啟動／停止狀態(tài)信號

當時鐘信號為高電平且數(shù)據(jù)線ＳＤＡ從高電平變?yōu)榈碗娖綍r產(chǎn)生起始位信號。ＴＭＰ１０１監(jiān)控ＳＤＡ和ＳＣＬ的狀態(tài)，只有當啟動信號到來后，芯片才開始工作。

時鐘信號為高電平且數(shù)據(jù)線ＳＤＡ從低電平變?yōu)楦唠娖綍r產(chǎn)生停止位信號。當停止信號到來時，所有工作結(jié)束。

當主設(shè)備器件發(fā)送起始信號和ＴＭＰ１０１的地址后，ＴＭＰ１０１便開始監(jiān)控總線，若接收的地址無誤，將發(fā)出一個確認信號，并根據(jù)Ｒ／Ｗ位的狀態(tài)來執(zhí)行讀／寫操作。

(３) 寫操作

寫操作時，先由主設(shè)備器件向ＴＭＰ１０１發(fā)送起始狀態(tài)和ＴＭＰ１０１的地址信息(Ｒ／Ｗ位＝０)，然后由主設(shè)備器件發(fā)送數(shù)據(jù)而由ＴＭＰ１０１接收數(shù)據(jù)。寫操作可以分為１字節(jié)寫操作和頁面(１６字節(jié))寫操作兩種方式，兩者的操作過程基本相同，不同之處在于主設(shè)備寫入數(shù)據(jù)的多少。

(４) 讀操作

讀操作與寫操作所不同的是，首先由主設(shè)備器件向ＴＭＰ１０１發(fā)送起始狀態(tài)和ＴＭＰ１０１的地址信息(Ｒ／Ｗ位＝１)，然后由ＴＭＰ１０１發(fā)送數(shù)據(jù)而由主設(shè)備器件接收數(shù)據(jù)。讀操作分為單字節(jié)讀操作和連續(xù)讀操作兩種方式? 圖３給出了軟件讀?。裕停校保埃奔拇嫫鲾?shù)值的流程圖。

４　和ＰｒＰＭＣ８００模塊的接口應用

ＰｒＰＭＣ８００模塊是滿足ＰＭＣ ＰＣＩ規(guī)范的處理機模塊，它采用４個標準的６４腳ＰＭＣ接口作為對外總線接口，其中第４個ＰＭＣ接口的１、２引腳是它的Ｉ２Ｃ接口引腳，通過其模塊內(nèi)部的橋接控制ＡＳＩＣ芯片可將該接口的數(shù)據(jù)傳到模塊的處理器。該處理器模塊對溫度要求較高，工作溫度范圍在０℃～５５℃，所以在實際應用中需要對處理器模塊環(huán)境溫度進行采集和分析，而利用ＴＭＰ１０１可以很方便的實現(xiàn)ＰｒＰＭＣ８００模塊的溫度采集功能，其功能系統(tǒng)框架圖如圖４所示。

在該系統(tǒng)中，ＰｒＰＭＣ８００模塊作為總線控制器，雙方通過Ｉ２Ｃ總線連接，溫度采集結(jié)果也通過該總線輸出。為和ＰｒＰＭＣ８００模塊存儲ＶＰＤ的ｓｒｏｍ電壓兼容，ＴＭＰ１０１芯片采用３．３Ｖ供電，轉(zhuǎn)換精度為０．５℃?測量溫度為－５５℃～１２５℃。溫度報警輸出引腳ＡＬＥＲＴ接入ＣＰＬＤ，當ＡＬＥＲＴ信號有效時，ＣＰＬＤ啟動到８００卡的ＨＯＳＴＩＮＴ中斷，告知ＣＰＵ系統(tǒng)的溫度出現(xiàn)問題?？紤]到溫度傳感器的報警中斷輸出，系統(tǒng)中采用的是開路輸出，可以將幾個溫度傳感器報警輸出線相或來構(gòu)成多點采集溫度系統(tǒng)，從而測試單板不同位置的溫度，同時也可監(jiān)測風扇轉(zhuǎn)速對單板溫度的影響。

５　結(jié)論

實際應用表明，ＴＭＰ１０１芯片具有較高的性能，利用它可以較好地實現(xiàn)預期的設(shè)計功能。利用主控ＣＰＵ和多片ＴＭＰ１０１可以很容易地構(gòu)成一個低電壓低功耗的多點數(shù)字測溫系統(tǒng)，且能得到較高的溫測精度和較高的讀取速度。該系統(tǒng)目前已被應用于某無線接入服務(wù)器的單板系統(tǒng)設(shè)計中，實踐證明：運行效果良好。