| 美隆電子有限公司 | |||||||||||||||||||||
| 期日: | 2006年12月26日 | ||||||||||||||||||||
| 如何為數位溫度感測器選擇系統介面 | |||||||||||||||||||||
| 引言：有助於獲得精確的熱管理加上免校準特性，將確保數位溫度感測器繼續受到人們的歡迎。為滿足需多個主元件共存 | |||||||||||||||||||||
| 的高可靠性和系統冗餘要求，以及對於要求輕鬆添加新溫度感測器的應用而言，I2C匯流排或SMBus將繼續保持其作為溫度 | |||||||||||||||||||||
| 感測器系統介面主要選擇的地位。 | |||||||||||||||||||||
| 熱感測電阻、熱電偶、類比矽溫度感測器和鎳/鉑電阻式溫度檢測器(RTD)，需要進行校準以達到所需的溫度精密度。作為 | |||||||||||||||||||||
| 混合訊號元件的數位溫度感測器則不需要進行校準，它們具有整合數位邏輯，工作溫度範圍為-55℃到50℃，採用絕對溫度 | |||||||||||||||||||||
| 比例(PTAT)電路，透過檢測二極體的基極－發射極電壓(VBE)的變化來測量本地/遠端溫度。它具有簡單的整合硬體來保存 | |||||||||||||||||||||
| 溫度值並對溫度設定點、元件工作模式、睡眠模式以及快/慢轉換速率進行編程設定。數據透過IC間匯流排(I2C匯流排)、系 | |||||||||||||||||||||
| 統管理匯流排(SMBus)或串列週邊介面(SPI)來通訊。實際上，每個元件在生產時均會進行調整，溫度檢測精密度達到±0.5℃ | |||||||||||||||||||||
| 以內或者更高，性價比和可靠性均很高。這些優點使得數位溫度感測器在幾乎任何可以想像到的應用中都受到歡迎，包括 | |||||||||||||||||||||
| PC、通訊設備、手持設備和工業控制設備等。 | |||||||||||||||||||||
| 具體來說，數位溫度感測器的主要構成包括一個雙電流源、一個Δ-Σ A/D轉換器、數位邏輯和一個通向數位元件(如與一個微 | |||||||||||||||||||||
| 處理器或微控制器連接)的串列介面(如I2C匯流排、SMBus或SPI)。數位溫度感測器有兩種：本地或遠端溫度感測器，它們均 | |||||||||||||||||||||
| 採用某種方法強制兩個成比例的電流通過一個連接成二極體形式的NPN或PNP電晶體，均用於測量所導致的VBE變化，使用 | |||||||||||||||||||||
| Δ-ΣA/D轉換器對電壓採樣並將數值轉換成數位格式。強制電流一般採用約10:1的比例。透過強制施加比例電流和測量兩個 | |||||||||||||||||||||
| VBE的差值，可消除二極體上IS這一與製程相關參數的一階效應。 | |||||||||||||||||||||
| 每個溫度感測器在生產過程中均會進行調整，以便與要使用的二極體的理想參數匹配。遠端二極體的特性取自2N3904/6。 | |||||||||||||||||||||
| 由於本地溫度感測器在矽基板上只是一個簡單的NPN或PNP結構，遠端溫度感測器幾乎總是整合一個本地溫度感測器。因此 | |||||||||||||||||||||
| ，遠端感測器的作用幾乎總是像兩個感測器一樣。本地溫度感測器在同一封裝整合了一個熱二極體。對於本地感測器，根 | |||||||||||||||||||||
| 據封裝和位於IC基板上的本地二極體，熱時間常數(即達到最終溫度的63.2%所需的時間)為幾分鐘。匯流排負載過重或轉換 | |||||||||||||||||||||
| 過快會造成元件自加熱並影響溫度精密度。 | |||||||||||||||||||||
| 溫度數據變為可用所需的時間稱為轉換速率。該速率由元件內部振盪器和A/D解析度決定，一般低於100Hz或長於10ms。 | |||||||||||||||||||||
| 轉換速率越快，溫度數據可檢索的速度就越快，同時溫度感測器消耗的功率也就越大。由於存在自加熱效應，轉換速率通 | |||||||||||||||||||||
| 常較低。一個遠端溫度感測器和/或本地溫度感測器的簡化結構圖。 | |||||||||||||||||||||
| 最流行的數位溫度感測器是那些具有串列匯流排介面的感測器。溫度感測器匯流排的選擇很大程度上取決於所選微處理器 | |||||||||||||||||||||
| 或控制器上有哪些可用的介面。控制器的選擇取決於工程師對其擁有的經驗多少。對於需要經常進行數據串流傳輸的系統 | |||||||||||||||||||||
| 數據，SPI是首選，因為它擁有較快的時脈速率，速率可從幾百萬赫茲到幾十百萬赫茲。然而，對於系統管理活動，如讀取 | |||||||||||||||||||||
| 溫度感測器的讀數和查詢多個從元件的狀態，或者需要多個主元件共存於同一系統匯流排上(系統冗餘常會要求這一點)，或 | |||||||||||||||||||||
| 者針對低功耗應用，這時I2C或SMBus將是首選介面。下面幾部份將介紹每種串列匯流排及其優缺點。 | |||||||||||||||||||||
| 1. SPI | |||||||||||||||||||||
| SPI 是一種四線制串列匯流排介面，為主/從結構，四條導線分別為串列時脈(SCLK)、主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)和 | |||||||||||||||||||||
| 從選(SS)訊號。主元件為時脈提供者，可發起讀取從元件或寫入從元件作業。這時主元件將與一個從元件進行對話。當匯流 | |||||||||||||||||||||
| 排上存在多個從元件時，要發起一次傳輸，主元件將把該從元件選擇線拉低，然後分別透過MOSI和MISO線路啟動數據發送 | |||||||||||||||||||||
| 或接收。 | |||||||||||||||||||||
| SPI時脈速度很快，範圍可從幾百萬赫茲到幾十百萬赫茲，且沒有系統開銷。SPI在系統管理方面的缺點是缺乏串流控制機制 | |||||||||||||||||||||
| ，無論主元件還是從元件均不對消息進行確認，主元件無法知道從元件是否繁忙。因此，必須設計聰明的軟體機制來處理 | |||||||||||||||||||||
| 確認問題。同時，SPI也沒有多主元件協議，必須採用很複雜的軟體和外部邏輯來實現多主元件架構。每個從元件需要一個 | |||||||||||||||||||||
| 單獨的從選擇訊號。總訊號數最終為n+3個，其中n是匯流排上從元件的數量。因此，導線的數量將隨增加的從元件的數量 | |||||||||||||||||||||
| 依比例成長。同樣，在SPI匯流排上添加新的從元件也不方便。對於額外添加的每個從元件，都需要一條新的從元件選擇線 | |||||||||||||||||||||
| 路或解碼邏輯。圖2顯示了典型的SPI讀取/寫入週期。在地址或命令位元組後面跟有一個讀取/寫入位元。數據透過MOSI訊號 | |||||||||||||||||||||
| 寫入從元件，透過MISO訊號自從元件中讀出。圖3顯示了I2C匯流排/SMBus以及SPI的系統結構圖。 | |||||||||||||||||||||
| 2. I2C匯流排 | |||||||||||||||||||||
| I2C是一種二線制串列匯流排介面，工作在主/從模式。二線通訊訊號分別為開漏SCL和SDA串列時脈和串列數據。主元件為 | |||||||||||||||||||||
| 時脈源。數據傳輸是雙向的，其方向取決於讀取/寫入位元的狀態。每個從元件擁有一個唯一的7或10位元地址。主元件透 | |||||||||||||||||||||
| 過一個起始位元發起一次傳輸，透過一個停止位元終止一次傳輸。起始位元之後為唯一的從元件地址，再後為讀取/寫入位元。 | |||||||||||||||||||||
| I2C匯流排速度為從0Hz到3.4MHz。它沒有SPI那樣快，但對於系統管理元件如溫度感測器來說則非常理想。I2C存在系統開 | |||||||||||||||||||||
| 銷，這些開銷包括起始位元/停止位元、確認位元和從地址位元，但它因此擁有串流控制機制。主元件在完成接收來自從元 | |||||||||||||||||||||
| 件的數據時總是發送一個確認位元，除非其準備終止傳輸。從元件在其接收到來自主元件的命令或數據時總是發送一個確 | |||||||||||||||||||||
| 認位元。當從元件未準備好時，它可以保持或延展時脈，直到其再次準備好響應。 | |||||||||||||||||||||
| I2C允許多個主元件工作在同一匯流排上。多個主元件可以輕鬆同步其時脈，因此所有主元件均採用同一時脈進行傳輸。多 | |||||||||||||||||||||
| 個主元件可以透過數據仲裁檢測哪一個主元件正使用匯流排，因而避免數據破壞。由於I2C匯流排只有兩條導線，因此新從 | |||||||||||||||||||||
| 元件只需接取匯流排即可，而無需附加邏輯。圖4顯示了典型的I2C匯流排讀取/寫入作業。 | |||||||||||||||||||||
| 3. SMBus | |||||||||||||||||||||
| SMBus是一種二線制串列匯流排，1996年第一版規格開始商用。它大部份基於I2C匯流排規格。和I2C一樣，SMBus不需增 | |||||||||||||||||||||
| 加額外接腳，製作該匯流排主要是為了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且專門針對智慧電池管理應用。它工作在主 | |||||||||||||||||||||
| /從模式：主元件提供時脈，在其發起一次傳輸時提供一個起始位元，在其終止一次傳輸時提供一個停止位元；從元件擁有 | |||||||||||||||||||||
| 一個唯一的7或10位元從元件地址。 | |||||||||||||||||||||
| SMBus與I2C匯流排之間在時序特性上存在一些差別。首先，SMBus需要一定數據保持時間，而I2C匯流排則是從內部延長 | |||||||||||||||||||||
| 數據保持時間。SMBus具有超時功能，因此當SCL太低而超過35ms時，從元件將重置正進行的通訊。相反，I2C採用硬體 | |||||||||||||||||||||
| 重置。SMBus具有一種警報響應地址(ARA)，因此當從元件產生一個中斷時，它不會馬上清除中斷，而是一直保持到其收 | |||||||||||||||||||||
| 到一個由主元件發送的含有其地址的ARA為止。SMBus只工作在從10kHz到最高100kHz。最低工作頻率10kHz是由SMBus | |||||||||||||||||||||
| 超時功能決定的。 | |||||||||||||||||||||
| 作者：Phil Luu | |||||||||||||||||||||
| 飛利浦半導體公司 | |||||||||||||||||||||
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