智能溫度傳感器的發(fā)展趨勢
現(xiàn)代信息技術的三大基礎是信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和信息處理(計算機技術)。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產(chǎn)品,尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生活等領域,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)絡化的方向發(fā)展。 本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/259302.htm1 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80年代問世的,它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等,適合遠距離測溫、控測,不需要進行非線性校準,外圍電路簡單。它是目前在國內外應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、可編程溫度控制器,典型產(chǎn)品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增強型集成溫度控制器(例如 TC652/653)中還包含了A/D轉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90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶。目前,國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(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)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量,適配各種微控制器(MCU);并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的,其智能化和諧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 進入21世紀后,智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 2.1 提高測溫精度和分辨力 在20 世紀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轉換器,其測溫精度較低,分辨力只能達到1℃。目前,國外已相繼推出多種高速度、高分辨力的智能溫度傳感器,所用的是9~12位A/D轉換器,分辨力一般可達0.5~0.0625℃。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器,能輸出13位二進制數(shù)據(jù),其分辨力高達0.03125℃,測溫精度為±0.2℃。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例,它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時間分別僅為27μs、9μs。 2.2 增加測試功能 新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如,DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(RTC),使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能,利用芯片內部256字節(jié)的E2PROM存儲器,可存儲用戶的短信息。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,主要包括單次轉換模式、連續(xù)轉換模式、待機模式,有的還增加了低溫極限擴展模式,操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言,主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A/D轉換速率(典型產(chǎn)品為MAX6654),分辨力及最大轉換時間(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,構成智能化溫控系統(tǒng);它們還可以脫離微控制器單獨工作,自動構成一個溫控儀。 2.3 總線技術的標準化與規(guī)范化 目前,智能溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化,所采用總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和SPI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。 2.4 可靠性及安全性設計 傳統(tǒng)的A/D轉換器大多采用積分式或逐次比較式轉換技術,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TMP03/204、LM74、LM83)普遍采用了高性能的∑-Δ式A/D轉換器不僅能濾除量化噪聲,而且對外圍元件的精度要求低;由于采用數(shù)字反饋方式,因此比較器的失調電壓及零點漂移都不會影響溫度的轉換精度。這種智能溫度傳感器兼有抑制串模干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。 為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時產(chǎn)生誤動作,在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內部,都設置了一個可編程的“故障排隊(fault queue)”計數(shù)器,專用于設定允許被測溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達到或超過所設定的次數(shù)n(n=1~4) 時,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,故障計數(shù)器就復位而不會觸發(fā)中斷端。這意味著假定n=3時,那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾,都不會影響溫控系統(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,非常適合設計一個符合ACPI(Advanced Configuration and Power Interface,即“先進配置與電源接口”)規(guī)范的溫控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護功能,可用來監(jiān)控筆記本電腦和服務器中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,臺式計算機一般為75℃,高檔筆記本電腦的專用CPU可達100℃。一旦CPU或主電路的溫度超出所設定的上、下限時,INT端立即使主機產(chǎn)生中斷,再通過電源控制器發(fā)出信號,迅速將主電源關斷起到保護作用。此外,當溫度超過CPU的極限溫度時,嚴重超溫報警輸出端(T_CRIT_A)也能直接關斷主電源,并且該端還可通過獨立的硬件判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措施已成為國際上設計溫控系統(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保護電路,一般可承受1000~4000V的靜電放電電壓。通常是將體等效于由100pF電容1.2kΩ電阻串聯(lián)而成的電路模型,當人體放電時,TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號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隨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功能,能自動檢測外部晶體管溫度傳感器(亦稱遠程傳感器)的開路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄存阻抗抵消”(Parasitic Resistance Cancellation,英文縮寫為PRC)模式,能抵消遠程傳感器引線阻抗所引起的測溫誤差,即使引線阻抗達到100Ω,也不會影響測量精度。遠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算機平臺、并通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準,以實現(xiàn)最佳性能指標。最近,病因BK公司已開發(fā)出一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器,其主要特點是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號并且附帶一張軟盤,軟盤上存儲著對該傳感器進行標定的有關數(shù)據(jù)。使用時,傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計算機,首先從計算機輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號,再從軟盤上讀出有關數(shù)據(jù),然后自動完成對傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設置和記錄工作。 (2)網(wǎng)絡溫度傳感器 網(wǎng)絡溫度傳感器是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡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溫度轉換成數(shù)字量,再送給微控制器作數(shù)據(jù)處理。最后將測量結果傳輸給網(wǎng)絡,以便實現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享,在更換傳感器時無須進行標定和校準,可做到“即插即用(Plug Play)”,這樣就極大地方便了用戶。
2.6 單片測溫系統(tǒng) 單片系統(tǒng)(System On Chip)是21世紀一項高新科技產(chǎn)品。它是在芯片上集成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng),其集成度將高達10 8~10 9元件/片,這將給IC產(chǎn)業(yè)及IC應用帶來劃時代的進步。半導體工業(yè)協(xié)會(SIA)對單片系統(tǒng)集成所作的預測見表1。目前,國際上一些著名IC廠家已開始研制單片機測溫系統(tǒng),相信在不久的將來即可面市。 |
作者:石家莊河北科技大學信息工程系(050054)沙占友
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