- 智能溫度傳感器向高科技方向迅速發(fā)展
- 提高測溫精度和分辨力
- 增加測試功能
- 總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化
- 可靠性及安全性設(shè)計
- 虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器
- 單片測溫系統(tǒng)
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。
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、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。
1提高測溫精度和分辨力
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,其測溫精度較低,分辨力只能達(dá)到1℃。目前,國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,它對本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為27μs、9μs。
2增加測試功能
新型智能溫度傳感器的測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時日歷時鐘(RTC),使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能,利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲器,可存儲用戶的短信息。另外,智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展,這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(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,操作非常簡便。對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))還可通過相應(yīng)的寄存器來設(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
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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再利用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù),來提高有效分辨力。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)受到噪聲干擾時產(chǎn)生誤動作,在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內(nèi)部,都設(shè)置了一個可編程的“故障排隊”計數(shù)器,專用于設(shè)定允許被測溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當(dāng)被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達(dá)到或超過所設(shè)定的次數(shù)n(n=1~4)時,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,故障計數(shù)器就復(fù)位而不會觸發(fā)中斷端。這意味著假定n=3時,那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾,都不會影響溫控系統(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)計一個符合ACPI規(guī)范的溫控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護(hù)功能,可用來監(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,臺式計算機(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, INT端立即使主機(jī)產(chǎn)生中斷,再通過電源控制器發(fā)出信號,迅速將主電源關(guān)斷起到保護(hù)作用。此外,當(dāng)溫度超過CPU的極限溫度時,嚴(yán)重超溫報警輸出端也能直接關(guān)斷主電源,并且該端還可通過獨(dú)立的硬件關(guān)斷電路來切斷主電源,以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護(hù)措施已成為國際上設(shè)計溫控系統(tǒng)的新觀念。
為防止因人體靜電放電而損壞芯片。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,TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號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。
最新開發(fā)的智能溫度傳感器還增加了傳感器故障檢測功能,能自動檢測外部晶體管溫度傳感器(亦稱遠(yuǎn)程傳感器)的開路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄生阻抗抵消”模式,能抵消遠(yuǎn)程傳感器引線阻抗所引起的測溫誤差,即使引線阻抗達(dá)到100歐姆,也不會影響測量精度。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算機(jī)平臺、并通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標(biāo)定及校準(zhǔn),以實現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。最近,美國B&K公司已開發(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)品序列號并且附帶一張軟盤,軟盤上存儲著對該傳感器進(jìn)行標(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時,傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計算機(jī),首先從計算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號,再從軟盤上讀出有關(guān)數(shù)據(jù),然后自動完成對傳感器的檢查、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。最后將測量結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò),以便實現(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,在更換傳感器時無須進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn),可做到“即插即用”,這樣就極大地方便了用戶。
6單片測溫系統(tǒng)
單片系統(tǒng)是21世紀(jì)一項高新科技產(chǎn)品。它是在芯片上集成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng),其集成度將高達(dá)108~109元件/片,這將給IC產(chǎn)業(yè)及IC應(yīng)用帶來劃時代的進(jìn)步。半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(SIA)對單片系統(tǒng)集成所作的預(yù)測見表。目前,國際上一些著名的IC廠家已開始研制單片測溫系統(tǒng),相信在不久的將來即可面市。