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，同時還具有關(guān)閉模式和報警輸出。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?。裕停校保埃钡囊_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)、個人計算機保護、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：串行總線時鐘，ＣＭＯＳ電平；

２腳ＧＮＤ：接地腳；

３腳ＡＬＥＲＴ：總線報警輸出，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０．０６２５℃。器件工作溫度為－５５℃～１２５℃，最大測量溫度超過１５０℃，同時它還具有以下特點：

● 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，單片報價較低。

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,通過ＡＬＥＲＴ信號線向主控器發(fā)出中斷信號進行報警。

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。通過一個帶隙型溫度傳感器和一個１２位Δ－Σ ＡＤ轉(zhuǎn)換器將所采集的溫度存儲在內(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報警輸出?？刂疲裕停校保埃钡闹鳈C可以對溫度窗口的上、下限進行設(shè)置，ＴＭＰ１０１自身的可編程遲滯特性與故障隊列能將誤報情況減至最少。系統(tǒng)上電后器件處于一種缺省閾值狀態(tài)，其溫度報警缺省閾值為：下限溫度ＴＬＯＷ＝７５℃，上限溫度ＴＨＩＧＨ＝８０℃。ＴＭＰ１０１的功能實現(xiàn)和工作方式主要由內(nèi)部的５個寄存器來確定，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，同時也可以控制轉(zhuǎn)換時間，而且分辨率越高，轉(zhuǎn)換時間也就越長；

Ｆ１／Ｆ０:錯誤隊列配置位。只有溫度連續(xù)超過限制ｎ次后，報警才會輸出，參數(shù)ｎ由Ｆ１／Ｆ０來設(shè)置，設(shè)置錯誤隊列的目的是用來防止環(huán)境噪聲對報警輸出的影響；

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時工作在中斷模式，ＴＭ為０時工作在比較模式；

ＳＤ：設(shè)置器件是否工作在關(guān)斷模式，ＳＤ為１時為關(guān)斷模式，ＳＤ為０時為正常工作方式；

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，ＴＭＰ１０１會根據(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，所采集的溫度等于或大于ＴＨＩＧＨ時，比較器將激活ＡＬＥＲＴ告警輸出，提醒主機當(dāng)前工作溫度不正常，只有當(dāng)溫度低于ＴＬＯＷ時，ＡＬＥＲＴ信號才恢復(fù)正常。正常工作時，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，比較器都會激活ＡＬＥＲＴ報警輸出，只有在對寄存器進行讀操作或者器件在關(guān)斷模式下時，ＡＬＥＲＴ信號才恢復(fù)正常?在此種模式下可進行系統(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，器件會自動關(guān)斷，此時電流消耗只有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和時鐘線ＳＣＬ，當(dāng)它作為從器件在串行總線上運行時，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”，另外兩個最低有效位通過管腳ＡＤＤ０來控制。當(dāng)ＳＣＬ為高電平時?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，才可以開始傳送數(shù)據(jù)。

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

(２) 啟動／停止?fàn)顟B(tài)信號

當(dāng)時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)啟動信號到來后，芯片才開始工作。

    時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產(chǎn)生停止位信號。當(dāng)停止信號到來時，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，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?strong>寄存器數(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)范的處理機模塊，它采用４個標(biāo)準(zhǔn)的６４腳ＰＭＣ接口作為對外總線接口，其中第４個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℃，所以在實際應(yīng)用中需要對處理器模塊環(huán)境溫度進行采集和分析，而利用ＴＭＰ１０１可以很方便的實現(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℃。溫度報警輸出引腳ＡＬＥＲＴ接入ＣＰＬＤ，當(dāng)ＡＬＥＲＴ信號有效時，ＣＰＬＤ啟動到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警中斷輸出，系統(tǒng)中采用的是開路輸出，可以將幾個溫度傳感器報警輸出線相或來構(gòu)成多點采集溫度系統(tǒng)，從而測試單板不同位置的溫度，同時也可監(jiān)測風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對單板溫度的影響。

５　結(jié)論

實際應(yīng)用表明，ＴＭＰ１０１芯片具有較高的性能，利用它可以較好地實現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計功能。利用主控ＣＰＵ和多片ＴＭＰ１０１可以很容易地構(gòu)成一個低電壓低功耗的多點數(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)計中，實踐證明：運行效果良好。