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          智能溫度傳感器的發展趨勢

          現代信息技術的三大基礎是信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和信息處理(計算機技術)。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品,尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農業生產、科學研究和生活等領域,數量高居各種傳感器之首。近百年來,溫度傳感器的發展大致經歷了以下三個階段;(1)傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件);(2)模擬集成溫度傳感器/控制器;(3)智能溫度傳感器。目前,國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、由集成化向智能化、網絡化的方向發展。

          1集成溫度傳感器的產品分類
          1.1模擬集成溫度傳感器
          集成傳感器是采用硅半導體集成工藝而制成的,因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的,它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等,適合遠距離測溫、控溫,不需要進行非線性校準,外圍電路簡單。它是目前在國內外應用最為普遍的一種集成傳感器,典型產品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。

          1.2模擬集成溫度控制器
          模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關、可編程溫度控制器,典型產品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增強型集成溫度控制器(例如TC652/653)中還包含了A/D轉換器以及固化好的程序,這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統,工作時并不受微處理器的控制,這是二者的主要區別。

          1.3智能溫度傳感器
          智能溫度傳感器(亦稱數字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶。目前,國際上已開發出多種智能溫度傳感器系列產品。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器(cpu)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量,適配各種微控制器(MCU);并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現測試功能的,其智能化程度也取決于軟件的開發水平。

          2智能溫度傳感器發展的新趨勢
          進入21世紀后,智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發展。

          2.1提高測溫精度和分辨力
          在20世紀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轉換器,其測溫精度較低,分辨力只能達到1°C。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轉換器,分辨力一般可達0.5~0.0625°C。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器,能輸出13位二進制數據,其分辨力高達0.03125°C,測溫精度為±0.2°C。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例,它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時間分別僅為27us、9us。

          2.2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。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,利用芯片內部256字節的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展,這就為研制和開發多路溫度測控系統創造了良好條件。?br>

          智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇,主要包括單次轉換模式、連續轉換模式、待機模式,有的還增加了低溫極限擴展模式,操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言,主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A/D轉換速率(典型產品為MAX6654),分辨力及最大轉換時間(典型產品為DS1624)。

          能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎上發展而成的。典型產品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能溫度控制器適配各種微控制器,構成智能化溫控系統;它們還可以脫離微控制器單獨工作,自行構成一個溫控儀。

          2.3總線技術的標準化與規范化
          目前,智能溫度傳感器的總線技術也實現了標準化、規范化,所采用的總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。

          2.4可靠性及安全性設計
          傳統的A/D轉換器大多采用積分式或逐次比較式轉換技術,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換成數字信號,再利用過采樣、噪聲整形和數字濾波技術,來提高有效分辨力。Σ-Δ式A/D轉換器不僅能濾除量化噪聲,而且對外圍元件的精度要求低;由于采用了數字反饋方式,因此比較器的失調電壓及零點漂移都不會影響溫度的轉換精度。這種智能溫度傳感器兼有抑制串模干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優點。

          為了避免在溫控系統受到噪聲干擾時產生誤動作,在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內部,都設置了一個可編程的“故障排隊(fAultqueue)”計數器,專用于設定允許被測溫度值超過上、下限的次數。僅當被測溫度連續超過上限或低于下限的次數達到或超過所設定的次數n(n=1~4)時,才能觸發中斷端。若故障次數不滿足上述條件或故障不是連續發生的,故障計數器就復位而不會觸發中斷端。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,非常適合設計一個符合ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce,即“先進配置與電源接口”)規范的溫控系統。這種系統具有完善的過熱保護功能,可用來監控筆記本電腦和服務器中CPU及主電路的溫度。微處理器最高可承受的工作溫度規定為tH,臺式計算機一般為75°C,高檔筆記本電腦的專用CPU可達100°C。一旦CPU或主電路的溫度超出所設定的上、下限時, INT端立即使主機產生中斷,再通過電源控制器發出信號,迅速將主電源關斷起到保護作用。此外,當溫度超過CPU的極限溫度時,嚴重超溫報警輸出端(T_CRIT_A)也能直接關斷主電源,并且該端還可通過獨立的硬件關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措施已成為國際上設計溫控系統的新觀念。

          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歐姆電阻串聯而成的電路模型,當人體放電時,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。

          最新開發的智能溫度傳感器(例如MAX6654、LM83)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(亦稱遠程傳感器)的開路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion,英文縮寫為prc)模式,能抵消遠程傳感器引線阻抗所引起的測溫誤差,即使引線阻抗達到100歐姆,也不會影響測量精度。遠程傳感器引線可采用普通雙絞線或者帶屏蔽層的雙絞線。

          2.5虛擬溫度傳感器和網絡溫度傳感器
          (1)虛擬傳感器
          虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過軟件開發而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準,以實現最佳性能指標。最近,美國B&K公司已開發出一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器,其主要特點是每只傳感器都有唯一的產品序列號并且附帶一張軟盤,軟盤上存儲著對該傳感器進行標定的有關數據。使用時,傳感器通過數據采集器接至計算機,首先從計算機輸入該傳感器的產品序列號,再從軟盤上讀出有關數據,然后自動完成對傳感器的檢查、傳感器參數的讀取、傳感器設置和記錄工作。

          (2)網絡溫度傳感器
          網絡溫度傳感器是包含數字傳感器、網絡接口和處理單元的新一代智能傳感器。數字傳感器首先將被測溫度轉換成數字量,再送給微控制器作數據處理。最后將測量結果傳輸給網絡,以便實現各傳感器之間、傳感器與執行器之間、傳感器與系統之間的數據交換及資源共享,在更換傳感器時無須進行標定和校準,可做到“即插即用(Plug&PlAy)”,這樣就極大地方便了用戶。

          2.6單片測溫系統
          單片系統(System On Chip)是21世紀一項高新科技產品。它是在芯片上集成一個系統或子系統,其集成度將高達108~109元件/片,這將給IC產業及IC應用帶來劃時代的進步。半導體工業協會(SIA)對單片系統集成所作的預測見表1。目前,國際上一些著名的IC廠家已開始研制單片測溫系統,相信在不久的將來即可面市。

          表1單片系統集成電路的發展預測
          年 份 2001 2002 2007 2010
          最小線寬/um 0.18 0.13 0.1 0.07
          包含晶體管數量/片 1.3X108 2.5X108 5X108 9X108
          成本/(晶體管/毫美分) 0.2 0.1 0.05 0.02
          芯片尺寸/mm2 750 900 1100 1400
          電源電壓/V 1.8 1.5 1.2 0.9
          新片I/O數 2000 2600 3600 4800

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