帶I2C接口的數(shù)字溫度傳感器TMP101及其應(yīng)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(yīng)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(shí)還具有關(guān)閉模式和報(bào)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(yīng)用。

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

１　ＴＭＰ１０１的引腳功能和主要特性

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(yīng)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(gè)人計(jì)算機(jī)保護(hù)、電子測試儀器、辦公設(shè)備以及生物醫(yī)學(xué)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(shí)鐘，ＣＭＯＳ電平；

２腳ＧＮＤ：接地腳；

３腳ＡＬＥＲＴ：總線報(bào)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(dá)０．０６２５℃。器件工作溫度為－５５℃～１２５℃，最大測量溫度超過１５０℃，同時(shí)它還具有以下特點(diǎn)：

● 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(gè)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(bào)價(jià)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(dāng)測量溫度超過所設(shè)定的窗口極限時(shí),通過ＡＬＥＲＴ信號線向主控器發(fā)出中斷信號進(jìn)行報(bào)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(gè)帶隙型溫度傳感器和一個(gè)１２位Δ－Σ ＡＤ轉(zhuǎn)換器將所采集的溫度存儲(chǔ)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(dòng)報(bào)警輸出?？刂疲裕停校保埃钡闹鳈C(jī)可以對溫度窗口的上、下限進(jìn)行設(shè)置，ＴＭＰ１０１自身的可編程遲滯特性與故障隊(duì)列能將誤報(bào)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(bào)警缺省閾值為：下限溫度ＴＬＯＷ＝７５℃，上限溫度ＴＨＩＧＨ＝８０℃。ＴＭＰ１０１的功能實(shí)現(xiàn)和工作方式主要由內(nèi)部的５個(gè)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(shí)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(shí)也可以控制轉(zhuǎn)換時(shí)間，而且分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間也就越長；

Ｆ１／Ｆ０:錯(cuò)誤隊(duì)列配置位。只有溫度連續(xù)超過限制ｎ次后，報(bào)警才會(huì)輸出，參數(shù)ｎ由Ｆ１／Ｆ０來設(shè)置，設(shè)置錯(cuò)誤隊(duì)列的目的是用來防止環(huán)境噪聲對報(bào)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(shí)工作在中斷模式，ＴＭ為０時(shí)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(shí)為關(guān)斷模式，ＳＤ為０時(shí)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(dāng)所采集的溫度在上下限之外時(shí)，ＴＭＰ１０１會(huì)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(dāng)工作在比較模式下時(shí)，所采集的溫度等于或大于ＴＨＩＧＨ時(shí)，比較器將激活ＡＬＥＲＴ告警輸出，提醒主機(jī)當(dāng)前工作溫度不正常，只有當(dāng)溫度低于ＴＬＯＷ時(shí)，ＡＬＥＲＴ信號才恢復(fù)正常。正常工作時(shí)，默認(rèn)方式為比較模式。當(dāng)器件工作在中斷模式下，且所采集的溫度在上下限之外時(shí)，比較器都會(huì)激活ＡＬＥＲＴ報(bào)警輸出，只有在對寄存器進(jìn)行讀操作或者器件在關(guān)斷模式下時(shí)，ＡＬＥＲＴ信號才恢復(fù)正常?在此種模式下可進(jìn)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(dāng)前的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束后，器件會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)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(shí)鐘線ＳＣＬ，當(dāng)它作為從器件在串行總線上運(yùn)行時(shí)，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(gè)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(gè)最低有效位通過管腳ＡＤＤ０來控制。當(dāng)ＳＣＬ為高電平時(shí)?ＳＤＡ的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)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(yīng)答三種信號類型。

(１) Ｉ２Ｃ總線通信協(xié)議

只有當(dāng)總線不忙時(shí)，才可以開始傳送數(shù)據(jù)。

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

(２) 啟動(dòng)／停止?fàn)顟B(tài)信號

當(dāng)時(shí)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(shí)產(chǎn)生起始位信號。ＴＭＰ１０１監(jiān)控ＳＤＡ和ＳＣＬ的狀態(tài)，只有當(dāng)啟動(dòng)信號到來后，芯片才開始工作。

時(shí)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(shí)產(chǎn)生停止位信號。當(dāng)停止信號到來時(shí)，所有工作結(jié)束。

當(dāng)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(gè)確認(rèn)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(shí)，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(yīng)用

ＰｒＰＭＣ８００模塊是滿足ＰＭＣ ＰＣＩ規(guī)范的處理機(jī)模塊，它采用４個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的６４腳ＰＭＣ接口作為對外總線接口，其中第４個(gè)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(shí)際應(yīng)用中需要對處理器模塊環(huán)境溫度進(jìn)行采集和分析，而利用ＴＭＰ１０１可以很方便的實(shí)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(chǔ)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(bào)警輸出引腳ＡＬＥＲＴ接入ＣＰＬＤ，當(dāng)ＡＬＥＲＴ信號有效時(shí)，ＣＰＬＤ啟動(dòng)到８００卡的ＨＯＳＴＩＮＴ中斷，告知ＣＰＵ系統(tǒng)的溫度出現(xiàn)問題。考慮到溫度傳感器的報(bào)警中斷輸出，系統(tǒng)中采用的是開路輸出，可以將幾個(gè)溫度傳感器報(bào)警輸出線相或來構(gòu)成多點(diǎn)采集溫度系統(tǒng)，從而測試單板不同位置的溫度，同時(shí)也可監(jiān)測風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對單板溫度的影響。

５　結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用表明，ＴＭＰ１０１芯片具有較高的性能，利用它可以較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。利用主控ＣＰＵ和多片ＴＭＰ１０１可以很容易地構(gòu)成一個(gè)低電壓低功耗的多點(diǎn)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(yīng)用于某無線接入服務(wù)器的單板系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)踐證明：運(yùn)行效果良好。