如何簡化微控制器和溫度傳感器之間的接口

溫度是一個模擬量，但數(shù)字系統(tǒng)通常使用溫度來實現(xiàn)測量、控制和保護功能。如果您應用正確的技術和組件，將模擬溫度轉換為數(shù)字信息將不困難。本應用筆記討論熱比較器、PWM輸出溫度傳感器和遠端二極管（或熱二極管）溫度傳感器。

溫度是一個模擬量，但數(shù)字系統(tǒng)通常使用溫度來實現(xiàn)測量、控制和保護功能。如果您應用正確的技術和組件，將模擬溫度轉換為數(shù)字信息將不困難。

使用微控制器（μC）讀取溫度在概念上很簡單。μC 讀取由熱敏電阻分壓器、模擬輸出溫度傳感器或其他模擬溫度傳感器驅動的模數(shù)轉換器 （ADC） 的輸出代碼（圖 1）。某些控制器內置的ADC可以簡化這種設計。ADC需要基準電壓，該電壓可由外部器件產生。例如，熱敏電阻傳感器的基準電壓通常與施加在電阻-熱敏電阻分壓器頂部的基準電壓相同。但是，這些系統(tǒng)可能會出現(xiàn)以下并發(fā)癥：

傳感器的輸出電壓范圍明顯小于ADC的輸入電壓范圍。用于此目的的典型ADC可能具有8位分辨率和2.5V基準電壓，通常相當于輸入電壓范圍。如果傳感器在目標溫度范圍內的最大輸出僅為1.25V，則有效分辨率降至7位。要實現(xiàn)8位分辨率，可通過外部運算放大器增加增益或降低ADC的基準電壓（這可能會降低某些ADC的精度）。

誤差預算緊張。將熱敏電阻-電阻組合或模擬傳感器器件的誤差與ADC提供的誤差相結合，放大器失調電壓、增益設置電阻的容差和基準電壓源誤差可能超出系統(tǒng)所能承受的誤差。

您想要一個線性溫度代碼傳遞函數(shù)，并且您正在使用熱敏電阻。 熱敏電阻的傳遞函數(shù)是非常非線性的，但在許多應用所需的窄溫度范圍內，它可以足夠線性。您可以使用查找表來補償非線性，但此方法需要可能不可用的資源。

ADC輸入有限。 如果要測量的溫度數(shù)量超過可用的ADC輸入數(shù)量，則可能需要添加多路復用器，這將增加成本和開發(fā)時間。

μC I/O 引腳的數(shù)量有限。 這對于內部ADC來說不是問題，但外部串行ADC將需要2到4個I/O引腳作為μC的接口。

圖1.在這個簡單的接口中，ADC的基準電壓來自電源電壓。模擬溫度傳感器可以取代熱敏電阻分壓器。在這種情況下，ADC（可以是μC的內部）需要一個相當精確的基準電壓源。

如果使用帶數(shù)字接口的溫度傳感器，則設計問題會得到簡化。同樣，當ADC輸入和μC I/O引腳供應不足時，具有基于時間或頻率的輸出的溫度傳感器可以緩解測量問題（圖2）。例如，MAX6576溫度傳感器產生輸出方波，其周期與絕對溫度成正比。它采用 6 引腳 SOT23 封裝，只需要很少的電路板空間。單個 I/O 引腳將此器件連接至 μC;在其內部計數(shù)器測量周期后，μC計算溫度。

圖2.MAX6576產生周期與絕對溫度成正比的方波;MAX6577產生與溫度成比例的輸出頻率。由此產生的比例常數(shù)由 TS0 和 TS1 引腳設置為四個值之一。無需外部元件。

將接地或正電源電壓施加到兩個邏輯輸入中的每一個，可以選擇介于 10μs/°K 和 640μs/°K 之間的四個周期/溫度比例常數(shù)之一。

相關的溫度傳感器（MAX6577）產生輸出方波，其頻率/溫度因數(shù)可在0.0675Hz/°K和4Hz/°K之間編程。 這兩款器件均通過減少所需的 PC 板空間、元件數(shù)量和模擬/數(shù)字 I/O 資源來簡化溫度采集。它們通過單個數(shù)字I/O引腳將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)溅藽，并且增加了單個光隔離器，使其成為需要在傳感器和CPU之間電氣隔離的應用的理想選擇。

為了測量不同位置的多個溫度，選擇變得更加復雜。熱敏電阻或傳統(tǒng)模擬傳感器可以放置在適當?shù)奈恢貌⑦B接到ADC輸入，前提是ADC有足夠的輸入可用。作為替代方案，MAX6575將溫度數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)溅藽;多達6575個MAX6575可連接至單個μC I/O輸入。單條I/O走線將μC連接到這3個MAX6575（圖6575）。為了測量溫度，μC短暫地將I/O線拉低，在短暫的延遲后，第一個MAX<>也將I/O線拉低。該延時與絕對溫度成正比，使用MAX<>上的兩個引腳設置比例常數(shù)。

圖3.多個MAX6575采用延遲方案對溫度信息進行編碼，通過單個數(shù)字I/O引腳向μC傳輸多達<>個溫度。

第一個傳感器將線路保持低電平一段時間（5μs/°K），然后將其釋放。在第二次延時后，通過將編程引腳設置為更大的比例常數(shù)來選擇，第二個MAX6575將I/O拉低并保持在5μs/°K定義的間隔內。 這樣，四個MAX6575可以連接到I/O線。另外四個MAX6575的長延時版本可以添加到同一I/O線路中。MAX6575L的延遲倍增器范圍為5μs/°K至80μs/°K，MAX6575H的延遲倍增器范圍為160μs/°K至640μs/°K。 因此，多達6575個MAX<>可以分布在系統(tǒng)的不同位置，通過一條I/O線連接到μC。

對于某些系統(tǒng)，所需的信息不是確切的溫度，而是溫度是高于還是低于特定值。此信息可以觸發(fā)冷卻風扇、空調、加熱器或其他環(huán)境控制元素。在系統(tǒng)保護應用中，“過熱位”可以觸發(fā)有序的系統(tǒng)關斷，以避免在系統(tǒng)電源切斷時丟失數(shù)據(jù)。如上例所示，可以通過測量溫度來獲得這一單一信息，但這種方法需要的軟件和硬件比功能所需的更多。

用電壓比較器代替圖 1 中的 ADC，可產生一個簡單的 1 位輸出，可以驅動 μC 上的單個 I/O 引腳（圖 4）。同樣，所示的熱敏電阻可以用模擬電壓輸出溫度傳感器代替。大多數(shù)此類器件的溫度和輸出電壓之間的關系不受電源電壓的影響。為了保持不受電源電壓變化的影響，將比較器的電阻分壓器的頂部連接到基準電壓源，而不是電源電壓。

圖4.將傳感器與比較器組合產生1位數(shù)字輸出，可以警告μC溫度偏移超過預定閾值或跳變點。

用熱敏開關（如MAX6501）代替?zhèn)鞲衅?比較器組合，可以簡化系統(tǒng)。這款單芯片器件集傳感器、比較器、基準電壓源和外部電阻器的功能于一身。當溫度超過預設跳閘電平時，漏極開路輸出變?yōu)榈碗娖?。該系列中的一些器件具有漏極開路輸出，當溫度低于跳變點時變?yōu)榈碗娖剑∕AX6503），其他器件具有推/挽輸出，當溫度高于或低于跳變點時變?yōu)楦唠娖剑∕AX6502、圖5或MAX6504）。此外，通過將封裝引腳連接到V+或地，可將遲滯設置為2°C或10°C?？捎玫奶l溫度范圍為 -45°C 至 +115°C，增量為 10°C。

圖5.MAX6502在溫度超過預設門限時產生邏輯高電平輸出。

與MAX6575一樣，將多個MAX6501或MAX6503連接到一條I/O走線，當一個或多個位置的溫度超過門限時，μC可以得到通知。如果系統(tǒng)必須知道哪個位置已超過閾值，則每個開關輸出必須連接到單獨的I/O引腳。

這些傳感器測量自己的芯片溫度，并且由于芯片溫度密切跟蹤引線溫度，因此每個傳感器的放置應使其引線假定被監(jiān)控元件的溫度。但是，在某些情況下，您必須測量與傳感器不緊密耦合的溫度，例如功率ASIC的溫度，其芯片可能比周圍的電路板熱得多。內部溫度傳感器可以使ASIC在響應溫度故障時自行關閉，但僅憑這種能力缺乏準確性，并且很少警告系統(tǒng)即將發(fā)生的熱過載。

通過在ASIC芯片上添加一個外部可訪問的p-n結，您可以直接測量管芯溫度，方法是強制兩個或多個不同的正向電流通過檢測結并測量產生的電壓。兩個電壓之間的差異與絕對管芯溫度成正比：

我在哪里1和我2是強制通過p-n結的兩個電流水平，V1和V2是結上產生的正向電壓，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是以開爾文度為單位的結的絕對溫度，q是電子電荷。

當然，這種測量需要精密電路來產生精確的電流比并測量非常小的電壓差，同時抑制功率ASIC芯片上大瞬變產生的噪聲。幸運的是，Maxim的遠端結溫傳感器將這些精密模擬功能與簡單、通用的數(shù)字接口集成在一起。

例如，MAX6654以8位（1°C）分辨率測量遠端結溫，并通過SMBus將結果傳送至μC（圖6）。該設備最初設計用于監(jiān)控PC中的CPU溫度，具有其他功能，可消除控制器的一些開銷。例如，MAX6654使用窗口比較器監(jiān)測遠端結溫，當溫度高于或低于μC先前下載到寄存器的限值門限時中斷μC。 μC可以在啟動時設置溫度門限，然后忽略MAX6654，直到需要注意熱問題為止，而不是連續(xù)輪詢MAX6654。

圖6.MAX6654通過強制電流通過P-N結并測量產生的正向電壓來測量外部P-N結（分立晶體管、ASIC或CPU的一部分）的溫度。

MAX10采用6654引腳μMAX?封裝，可靠近被測結點放置。反過來，檢測結和MAX6654之間的短走線長度有助于避免噪聲拾取。

審核編輯：郭婷