智能溫度傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

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(lái)，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(lèi)

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(chēng)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(wèn)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(zhuān)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、控測(cè)，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(kāi)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(chēng)數(shù)字溫度傳感器）是在20世紀(jì)90年代中期問(wèn)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(kāi)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(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化和諧也取決于軟件的開(kāi)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(kāi)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速度、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(hù)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(kāi)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(guò)相應(yīng)的寄存器來(lái)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，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，自動(dòng)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(jī)可通過(guò)專(zhuān)用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。

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TMP03/204、LM74、LM83）普遍采用了高性能的∑-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；由于采用數(shù)字反饋方式，因此比較器的失調(diào)電壓及零點(diǎn)漂移都不會(huì)影響溫度的轉(zhuǎn)換精度。這種智能溫度傳感器兼有抑制串模干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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)（fault queue）”計(jì)數(shù)器，專(zhuān)用于設(shè)定允許被測(cè)溫度值超過(guò)上、下限的次數(shù)。僅當(dāng)被測(cè)溫度連續(xù)超過(guò)上限或低于下限的次數(shù)達(dá)到或超過(guò)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(mǎn)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(guò)熱保護(hù)功能，可用來(lái)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(zhuān)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(guò)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(guò)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(guò)獨(dú)立的硬件判斷電路來(lái)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。通常是將體等效于由100pF電容1.2kΩ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隨4000V的靜電放電電壓。

最新開(kāi)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(chēng)遠(yuǎn)程傳感器）的開(kāi)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(xiě)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100Ω，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(guò)軟件開(kāi)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，病因BK公司已開(kāi)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(pán)，軟盤(pán)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(guò)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(pán)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(wú)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(hù)。

表1 單片系統(tǒng)集成的發(fā)展預(yù)測(cè)

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)10 8～10 9元件/片，這將給IC產(chǎn)業(yè)及IC應(yīng)用帶來(lái)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(jiàn)表1。目前，國(guó)際上一些著名IC廠家已開(kāi)始研制單片機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)，相信在不久的將來(lái)即可面市。