如何為數(shù)字溫度傳感器選擇系統(tǒng)接口
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具體來說，數(shù)字溫度傳感器的主要構(gòu)成包括一個雙電流源、一個Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字邏輯和一個通向數(shù)字器件(如與一個微處理器或微控制器連接)的串行接口(如I2C總線、SMBus或SPI)。數(shù)字溫度傳感器有兩種：本地或遠(yuǎn)程溫度傳感器，它們均采用某種方法強(qiáng)制兩個成比例的電流通過一個連接成二極管形式的NPN或PNP晶體管，均用于測量所導(dǎo)致的VBE變化，使用Δ-ΣA/D轉(zhuǎn)換器對電壓采樣并將數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。強(qiáng)制電流一般采用約10:1的比例。通過強(qiáng)制施加比例電流和測量兩個VBE的差值，可消除二極管上IS這一與工藝相關(guān)參數(shù)的一階效應(yīng)。
每個溫度傳感器在生產(chǎn)過程中均會進(jìn)行調(diào)整，以便與要使用的二極管的理想?yún)?shù)匹配。遠(yuǎn)程二極管的特性取自2N3904/6。由于本地溫度傳感器在硅襯底上只是一個簡單的NPN或PNP結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程溫度傳感器幾乎總是集成一個本地溫度傳感器。因此，遠(yuǎn)程傳感器的作用幾乎總是像兩個傳感器一樣。本地溫度傳感器在同一封裝集成了一個熱二極管。對于本地傳感器，根據(jù)封裝和位于IC襯底上的本地二極管，熱時間常數(shù)(即達(dá)到最終溫度的63.2%所需的時間)為幾分鐘。總線負(fù)載過重或轉(zhuǎn)換過快會造成器件自加熱并影響溫度精度。
溫度數(shù)據(jù)變?yōu)榭捎盟璧臅r間稱為轉(zhuǎn)換速率。該速率由器件內(nèi)部振蕩器和A/D分辨率決定，一般低于100Hz或長于10ms。轉(zhuǎn)換速率越快，溫度數(shù)據(jù)可檢索的速度就越快，同時溫度傳感器消耗的功率也就越大。由于存在自加熱效應(yīng)，轉(zhuǎn)換速率通常較低。圖1顯示了一個遠(yuǎn)程溫度傳感器和/或本地溫度傳感器的簡化框圖。
圖1：數(shù)字溫度傳感器簡化框圖
最流行的數(shù)字溫度傳感器是那些帶有串行總線接口的傳感器。溫度傳感器總線的選擇很大程度上取決于所選微處理器或控制器上有哪些可用的接口?？刂破鞯倪x擇取決于工程師對其擁有的經(jīng)驗(yàn)多少。對于需要經(jīng)常進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)，SPI是首選，因?yàn)樗鼡碛休^快的時鐘速率，速率可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲。然而，對于系統(tǒng)管理活動，如讀取溫度傳感器的讀數(shù)和查詢多個從器件的狀態(tài)，或者需要多個主器件共存于同一系統(tǒng)總線上(系統(tǒng)冗余常會要求這一點(diǎn))，或者面向低功耗應(yīng)用，這時I2C 或 SMBus將是首選接口。下面幾部分將介紹每種串行總線及其優(yōu)缺點(diǎn)。
1. SPI
SPI 是一種四線制串行總線接口，為主/從結(jié)構(gòu)，四條導(dǎo)線分別為串行時鐘(SCLK)、主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)和從選(SS)信號。主器件為時鐘提供者，可發(fā)起讀從器件或?qū)憦钠骷僮?。這時主器件將與一個從器件進(jìn)行對話。當(dāng)總線上存在多個從器件時，要發(fā)起一次傳輸，主器件將把該從器件選擇線拉低，然后分別通過 MOSI 和 MISO 線啟動數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。
SPI 時鐘速度很快，范圍可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲，且沒有系統(tǒng)開銷。SPI 在系統(tǒng)管理方面的缺點(diǎn)是缺乏流控機(jī)制，無論主器件還是從器件均不對消息進(jìn)行確認(rèn)，主器件無法知道從器件是否繁忙。因此，必須設(shè)計聰明的軟件機(jī)制來處理確認(rèn)問題。同時，SPI 也沒有多主器件協(xié)議，必須采用很復(fù)雜的軟件和外部邏輯來實(shí)現(xiàn)多主器件架構(gòu)。每個從器件需要一個單獨(dú)的從選擇信號。總信號數(shù)最終為 n+3 個，其中 n 是總線上從器件的數(shù)量。因此，導(dǎo)線的數(shù)量將隨增加的從器件的數(shù)量按比例增長。同樣，在 SPI 總線上添加新的從器件也不方便。對于額外添加的每個從器件，都需要一條新的從器件選擇線或解碼邏輯。圖 2 顯示了典型的 SPI 讀/寫周期。在地址或命令字節(jié)后面跟有一個讀/寫位。數(shù)據(jù)通過 MOSI 信號寫入從器件，通過 MISO 信號自從器件中讀出。圖 3顯示了 I2C總線/SMBus以及SPI的系統(tǒng)框圖。
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