为数字温度传感器选择系统接口[图] - 全文

怎么为数字温度传感器选择系统接口

有助于获得精确的热管理加上免校准特性，将确保数字温度传感器继续受到人们的欢迎。为满足需多个主器件共存的高可靠性和系统冗余要求，以及对于要求轻松添加新温度传感器的应用而言，I2C总线或SMBus将继续保持其作为温度传感器系统接口主要选择的地位。

热敏电阻、热电偶、模拟硅温度传感器和镍/铂电阻式温度检测器(RTD)，需要进行校准以达到所需的温度精度。作为混合信号器件的数字温度传感器则不需要进行校准，它们具有集成数字逻辑，工作温度范围为-55℃到50℃，采用绝对温度比例(PTAT)电路，通过检测二极管的基极-发射极电压(VBE)的变化来测量本地/远程温度。它具有简单的集成硬件来保存温度值并对温度设定点、器件工作模式、睡眠模式以及快/慢转换速率进行编程设定。数据通过IC间总线(I2C总线)、系统管理总线(SMBus)或串行外围接口(SPI)来通信。实际上，每个器件在生产时均会进行调整，温度检测精度达到±0.5℃以内或者更高，性价比和可靠性均很高。这些优点使得数字温度传感器在几乎任何可以想象到的应用中都受到欢迎，包括PC、通信设备、手持设备和工业控制设备等。

具体来说，数字温度传感器的主要构成包括一个双电流源、一个Δ-Σ A/D转换器、数字逻辑和一个通向数字器件(如与一个微处理器或微控制器连接)的串行接口(如I2C总线、SMBus或SPI)。数字温度传感器有两种：本地或远程温度传感器，它们均采用某种方法强制两个成比例的电流通过一个连接成二极管形式的NPN或PNP晶体管，均用于测量所导致的VBE变化，使用Δ-ΣA/D转换器对电压采样并将数值转换成数字格式。强制电流一般采用约10:1的比例。通过强制施加比例电流和测量两个VBE的差值，可消除二极管上IS这一与工艺相关参数的一阶效应。

每个温度传感器在生产过程中均会进行调整，以便与要使用的二极管的理想参数匹配。远程二极管的特性取自2N3904/6。由于本地温度传感器在硅衬底上只是一个简单的NPN或PNP结构，远程温度传感器几乎总是集成一个本地温度传感器。因此，远程传感器的作用几乎总是像两个传感器一样。本地温度传感器在同一封装集成了一个热二极管。对于本地传感器，根据封装和位于IC衬底上的本地二极管，热时间常数(即达到最终温度的63.2%所需的时间)为几分钟。总线负载过重或转换过快会造成器件自加热并影响温度精度。

图1 数字温度传感器简化框图。

温度数据变为可用所需的时间称为转换速率。该速率由器件内部振荡器和A/D分辨率决定，一般低于100Hz或长于10ms。转换速率越快，温度数据可检索的速度就越快，同时温度传感器消耗的功率也就越大。由于存在自加热效应，转换速率通常较低。图1显示了一个远程温度传感器和/或本地温度传感器的简化框图。

I2C总线或SMBus温度传感器的优点

最流行的数字温度传感器是那些带有串行总线接口的传感器。温度传感器总线的选择很大程度上取决于所选微处理器或控制器上有哪些可用的接口。控制器的选择取决于工程师对其拥有的经验多少。对于需要经常进行数据流传输的系统数据，SPI是首选，因为它拥有较快的时钟速率，速率可从几兆赫兹到几十兆赫兹。然而，对于系统管理活动，如读取温度传感器的读数和查询多个从器件的状态，或者需要多个主器件共存于同一系统总线上(系统冗余常会要求这一点)，或者面向低功耗应用，这时I2C 或SMBus将是首选接口。下面几部分将介绍每种串行总线及其优缺点。

1. SPI

SPI 是一种四线制串行总线接口，为主/从结构，四条导线分别为串行时钟(SCLK)、主出从入(MOSI)、主入从出(MISO)和从选(SS)信号。主器件为时钟提供者，可发起读从器件或写从器件操作。这时主器件将与一个从器件进行对话。当总线上存在多个从器件时，要发起一次传输，主器件将把该从器件选择线拉低，然后分别通过 MOSI 和 MISO 线启动数据发送或接收。

SPI 时钟速度很快，范围可从几兆赫兹到几十兆赫兹，且没有系统开销。SPI 在系统管理方面的缺点是缺乏流控机制，无论主器件还是从器件均不对消息进行确认，主器件无法知道从器件是否繁忙。因此，必须设计聪明的软件机制来处理确认问题。同时，SPI 也没有多主器件协议，必须采用很复杂的软件和外部逻辑来实现多主器件架构。每个从器件需要一个单独的从选择信号。总信号数最终为 n+3 个，其中 n 是总线上从器件的数量。因此，导线的数量将随增加的从器件的数量按比例增长。同样，在 SPI 总线上添加新的从器件也不方便。对于额外添加的每个从器件，都需要一条新的从器件选择线或解码逻辑。图2 显示了典型的 SPI 读/写周期。在地址或命令字节后面跟有一个读/写位。数据通过 MOSI 信号写入从器件，通过 MISO 信号自从器件中读出。图3显示了I2C总线/SMBus以及SPI的系统框图。

图2 SPI 典型读/写周期。 

图3  (a)I2C总线/SMBus系统接口；(b)SPI 系统接口。

2. I2C总线

I2C 是一种二线制串行总线接口，工作在主/从模式。二线通信信号分别为开漏 SCL 和 SDA 串行时钟和串行数据。主器件为时钟源。数据传输是双向的，其方向取决于读/写位的状态。每个从器件拥有一个唯一的 7 或 10 位地址。主器件通过一个起始位发起一次传输，通过一个停止位终止一次传输。起始位之后为唯一的从器件地址，再后为读/写位。

I2C总线速度为从0Hz到3.4MHz。它没有SPI 那样快，但对于系统管理器件如温度传感器来说则非常理想。I2C 存在系统开销，这些开销包括起始位/停止位、确认位和从地址位，但它因此拥有流控机制。主器件在完成接收来自从器件的数据时总是发送一个确认位，除非其准备终止传输。从器件在其接收到来自主器件的命令或数据时总是发送一个确认位。当从器件未准备好时，它可以保持或延展时钟，直到其再次准备好响应。

I2C允许多个主器件工作在同一总线上。多个主器件可以轻松同步其时钟，因此所有主器件均采用同一时钟进行传输。多个主器件可以通过数据仲裁检测哪一个主器件正在使用总线，从而避免数据破坏。由于 I2C总线只有两条导线，因此新从器件只需接入总线即可，而无需附加逻辑。图4 显示了典型的 I2C总线读/写操作。

图4  I2C总线/SMBus的典型读/写操作。

3. SMBus

SMBus是一种二线制串行总线，1996年第一版规范开始商用。它大部分基于I2C总线规范。和 I2C一样，SMBus不需增加额外引脚，创建该总线主要是为了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且专门面向智能电池管理应用。它工作在主/从模式：主器件提供时钟，在其发起一次传输时提供一个起始位，在其终止一次传输时提供一个停止位；从器件拥有一个唯一的7或10位从器件地址。

SMBus与I2C总线之间在时序特性上存在一些差别。首先，SMBus需要一定数据保持时间，而 I2C总线则是从内部延长数据保持时间。SMBus具有超时功能，因此当SCL太低而超过35 ms时，从器件将复位正在进行的通信。相反，I2C采用硬件复位。SMBus具有一种警报响应地址(ARA)，因此当从器件产生一个中断时，它不会马上清除中断，而是一直保持到其收到一个由主器件发送的含有其地址的ARA为止。SMBus只工作在从10kHz到最高100kHz。最低工作频率10kHz是由SMBus超时功能决定的。