低成本的微處理器系統(tǒng)溫度監(jiān)控器

摘要：ADM1021是美國(guó)ADI公司出品的一種數(shù)字溫度計(jì)IC。它具有精度高，價(jià)格低，體積小等特點(diǎn)，是便攜式設(shè)備中不可缺少的器件。文章詳細(xì)介紹了ADM1021的工作原理、技術(shù)性能、設(shè)計(jì)參數(shù)、應(yīng)用范圍以及注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：串行接口 信號(hào)調(diào)理 溫度監(jiān)控 ADM1021

1 引言

ADM1021是雙通道的數(shù)字溫度計(jì)集成電路，同時(shí)可兼做低溫/高溫報(bào)警器，非常適用于需要溫度監(jiān)控的個(gè)人計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)。該器件通過(guò)連接的PNP晶體管可以測(cè)量微處理器的溫度，而PNP晶體管可由奔騰II或類(lèi)似的處理器芯片，或者由分立的PNP/NPN器件來(lái)提供，比如2N3904/2N3906等。ADM1021采用了新穎的測(cè)量方法，從而消除了晶體管的基極射極電壓絕對(duì)值。第二個(gè)測(cè)量通道可用于測(cè)量芯片上溫度傳感器的輸出，以監(jiān)控器件及周?chē)沫h(huán)境溫度。ADM1021通過(guò)一個(gè)與系統(tǒng)控制總線（SM總線）相兼容的雙線串行接口與外界相加，并可通過(guò)串行總線把低溫或高溫極限值輸入到器件中。當(dāng)芯片或遠(yuǎn)程溫度超過(guò)范圍時(shí)，ALERT引腳就會(huì)有信號(hào)輸出以作為中斷或SM總線的警報(bào)信號(hào)。ADM1021可廣泛應(yīng)用于臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦等領(lǐng)域，同時(shí)，在通訊系統(tǒng)中也具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 主要技術(shù)性能

圖1是ADM1021的引腳排列圖。表1給出了各引腳的功能說(shuō)明。

表1 引腳功能介紹

ADM1021內(nèi)含一個(gè)雙通道的A/D轉(zhuǎn)換器，利用其特殊的輸入信號(hào)調(diào)理功能可對(duì)遠(yuǎn)程或芯片上的溫度傳感器進(jìn)行操作。在正常工作時(shí)，其A/D轉(zhuǎn)換器一般工作在自由運(yùn)行模式，因此可用模擬輸入多路器來(lái)選擇芯片上的溫度傳感器或遠(yuǎn)程溫度傳感器以測(cè)量本地或遠(yuǎn)程溫度。對(duì)這些信號(hào)通過(guò)ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，把結(jié)果存入8位本地或遠(yuǎn)程溫度寄存器中，然后把測(cè)量結(jié)果與芯片上的4個(gè)寄存器的高低溫度極限值進(jìn)行比較。如果超過(guò)極限值，將產(chǎn)生標(biāo)志字并交其存入狀態(tài)寄存器，同時(shí)將ALERT端的輸出變低。

ADM1021中的極限寄存器是可編程的，因而可通過(guò)串聯(lián)的系統(tǒng)控制總線對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)置和控制。其控制和設(shè)置功能包括：器件工作在正常模式或待機(jī)模式、屏蔽或使能ALERT的輸出以及選擇轉(zhuǎn)換率等。

3 工作原理

測(cè)量溫度的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是在恒定電流情況下使用二極的負(fù)溫度系數(shù)或者晶體管的基極一射極電壓。但這種技術(shù)需要消除Vbe絕對(duì)值的影響，而Vbc絕對(duì)值是隨器件的不同而變經(jīng)的。ADM1021可通過(guò)測(cè)量器件在兩個(gè)不同電流時(shí)Vbe的差值來(lái)消除其影響。具體公式為：

Δvbe=KT/qln(N)

其中，K是波耳茲曼常數(shù)，q是電子電量（1.6×10 -9庫(kù)公侖），T是絕對(duì)溫度，單位為開(kāi)爾文，N是兩電流比值。

圖2是用于測(cè)量外部溫度傳感器輸出值的輸入信號(hào)調(diào)理功能圖。若用晶體管作為外部溫度傳感器在微處理器上進(jìn)行溫度監(jiān)控時(shí)，如果使用的是分立晶體管，則集電極不接地而應(yīng)與基極相連。如果傳感器在噪聲環(huán)境下工作，則應(yīng)加入C1以濾去噪聲。C1通?？蛇x為2200pF，并不能超過(guò)3300pF。

為了測(cè)量Δvbe，傳感器的工作電流應(yīng)在I與N×I之間，其輸出波形通過(guò)65kHz的低通濾波器濾波后送入一個(gè)放大器進(jìn)行放大。放大器的功能是放大和修正波形，以提供Δvbe成比例的直流電壓。ADC測(cè)量到這個(gè)電壓后將給出8位溫度輸出。另外，也可以通過(guò)用數(shù)字濾波器取測(cè)量平均值的方法來(lái)消除噪聲的影響。其內(nèi)部溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理和測(cè)量是以相同方式來(lái)進(jìn)行的。表2是ADM1021的溫度數(shù)據(jù)表。

表2 溫度數(shù)據(jù)表

雖然理論上利用ADM1021可以測(cè)量-128℃～+127℃的溫度，然而實(shí)際的最低溫度限制為-65℃，這是由器件的最大標(biāo)稱值所決定的。因?yàn)楸镜鼗蜻h(yuǎn)程溫度值寄存器的測(cè)量結(jié)果在存入到本地或遠(yuǎn)程溫度值寄存器中時(shí)，要與高低溫極限寄存器中的極限值進(jìn)行比較。

ADM1021利用內(nèi)部9個(gè)寄存器來(lái)設(shè)置或控制器件，以分別用于存儲(chǔ)本地或遠(yuǎn)程溫度測(cè)量結(jié)果和高低溫極限值。表3列出了ADM1021各寄存器的工作情況。需要注意的是：各寄存器是雙口的，其讀寫(xiě)操作有不同的地址。向讀地址中寫(xiě)或從寫(xiě)地址中讀都是非法的。0FH以上的寄存器地址是作為將來(lái)使用或取來(lái)于工廠檢測(cè)的，因此不能進(jìn)行寫(xiě)操作。

表3 ADM1021的寄存器列表

ADM1021的寫(xiě)操作包括1個(gè)或2個(gè)字節(jié)，而讀操作只包括1個(gè)字節(jié)。在向器件數(shù)據(jù)寄存器中寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，第一個(gè)字節(jié)總是包括一個(gè)存在地址指針寄存器中的有效地址。如果數(shù)據(jù)即將被寫(xiě)入器件，則寫(xiě)操作的第2個(gè)字節(jié)應(yīng)寫(xiě)入到由地址指針寄存器選定的寄存器中。其過(guò)程進(jìn)序見(jiàn)圖3所示。

在R/W置0后，器件地址將通過(guò)總線送入。第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)是即將被寫(xiě)入的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的地址，它存在于地址指針寄存器中，而第二個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)將被寫(xiě)入內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中。

從寄存器中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，如果ADM1021的地址指針值未知或不指定值，那篤，在從指定的數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)之前需要把它設(shè)定為正確值，這可以通過(guò)向ADM1021進(jìn)行寫(xiě)操作來(lái)執(zhí)行。讀操作包括時(shí)序總線地址、R/W位置1以及從數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)字節(jié)等。此過(guò)程如圖4所示。

如果地址指針值寄存器已經(jīng)指向指定的地址，那么數(shù)據(jù)即可從相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中讀出而不必先向地址指針寄存器中寫(xiě)地址。需要注意的是：ADM1021的讀、寫(xiě)操作地址不同的。

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 遠(yuǎn)程傳感二極管的選擇

ADM1021可與微處理器中的吸收晶體管或分立的晶體管一起組成一個(gè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)，在微處理器中的晶體管一般為PNP型，而分立器件則不受PNP或NPN型限制。使用NPN型晶體管時(shí)，把晶體管的集電極和基極連到ADM1021的D+，發(fā)射極連到D-。如果使用PNP型管，則應(yīng)將集電極和其極連至D-，發(fā)射極連到D+端。在使用分立的晶體管時(shí)，為了提高其測(cè)量的準(zhǔn)確性，一般應(yīng)遵循以下選擇原則：

（1）當(dāng)基極-發(fā)射極工作在最高溫度時(shí)，應(yīng)保證其電流為6μA，并使其電壓大于0.25V；

（2）當(dāng)基極-發(fā)射極工作在最低溫度時(shí)，應(yīng)保證其電流為100μA，并使其電壓小于0.95V；

（3）晶體管的基極電阻應(yīng)小于100Ω。

按照以上原則，應(yīng)用時(shí)可選用類(lèi)似于2N3904，2N3906或SOT-23這樣的器件。

4.2 溫度慣性與自動(dòng)加熱

溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性依賴于測(cè)量情況下遠(yuǎn)程溫度傳感器或內(nèi)部溫度傳感器的溫度值。理論上，傳感器應(yīng)與系統(tǒng)的待測(cè)部分（比如微處理器）有很好的溫度接觸。但如果實(shí)際中并是如此，那么將會(huì)導(dǎo)致傳感器的溫度慣性使其對(duì)溫度變化的響應(yīng)產(chǎn)生遲滯。這在遠(yuǎn)程傳感器中問(wèn)題不大，因?yàn)樗褂玫氖俏⑻幚砥鞯奈站w管或像SOT-23這樣的小器件，而且芯片上的傳感器離微處理器也很遠(yuǎn)。因此，溫度時(shí)間常數(shù)大約是10秒。在實(shí)際應(yīng)用中，由自動(dòng)加熱引起溫度升高可以忽略。

5 結(jié)束語(yǔ)

ADM1021是一種精度比較高的雙通道數(shù)字測(cè)溫兼警報(bào)器件。與其它同類(lèi)產(chǎn)品相比，它具有設(shè)計(jì)新穎，性能穩(wěn)定，使用方便，價(jià)格便宜等特點(diǎn)。在各類(lèi)計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程或本地溫度傳感及通訊系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景