內(nèi)容編輯智能溫度傳感器向高智能化技術(shù)方向迅速發(fā)展
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Shou。
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。
1提高測(cè)溫精度和分辨力
在20世紀(jì)90年代中期Zui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精度、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Zui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器，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，自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀。
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，所采用的總線主要有單線(-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。
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TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的Σ-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器，它能以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再利用過(guò)采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，來(lái)提高有效分辨力。Σ-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。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)(fAultqueue)”計(jì)數(shù)器，專用于設(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“先井配置與電源 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Zui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)立的硬件關(guān)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。通常是將人體等效于由100PF電容和1.2K歐姆電阻串聯(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承受4000V的靜電放電電壓。
Zui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(亦稱遠(yuǎn)程傳感器)的開(kāi)路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion，英文縮寫為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100歐姆，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。
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)Zui佳性能指標(biāo)。Zui近，美國(guó)B&K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Wei一的產(chǎn)品序列號(hào)并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲(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)，Shou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Shou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。Zui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。
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。
1提高測(cè)溫精度和分辨力
在20世紀(jì)90年代中期Zui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精度、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Zui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器，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，自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀。
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，所采用的總線主要有單線(-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。
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TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的Σ-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器，它能以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再利用過(guò)采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，來(lái)提高有效分辨力。Σ-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。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)(fAultqueue)”計(jì)數(shù)器，專用于設(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“先井配置與電源 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Zui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)立的硬件關(guān)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。通常是將人體等效于由100PF電容和1.2K歐姆電阻串聯(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承受4000V的靜電放電電壓。
Zui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(亦稱遠(yuǎn)程傳感器)的開(kāi)路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion，英文縮寫為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100歐姆，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。
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)Zui佳性能指標(biāo)。Zui近，美國(guó)B&K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Wei一的產(chǎn)品序列號(hào)并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲(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)，Shou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Shou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。Zui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。
