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智能溫度傳感器的發(fā)展趨勢 |
現(xiàn)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(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生活等領域，數(shù)量高居各種傳感器之首。近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段；(1)傳統(tǒng)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(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。
１集成溫度傳感器的產(chǎn)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(nèi)外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別。
1.3智能溫度傳感器
智能溫度傳感器(亦稱數(shù)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(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)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(shù)據(jù)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(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。
2智能溫度傳感器發(fā)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(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)，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(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、每一路遠程傳感器的轉(zhuǎn)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(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。?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(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)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(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)。
能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎上發(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，構成智能化溫控系統(tǒng)；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(guī)范化
目前，智能溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、規(guī)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(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，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，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；由于采用了數(shù)字反饋方式，因此比較器的失調(diào)電壓及零點漂移都不會影響溫度的轉(zhuǎn)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(yōu)點。
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，都設置了一個可編程的“故障排隊(fAultqueue)”計數(shù)器，專用于設定允許被測溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達到或超過所設定的次數(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，非常適合設計一個符合ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce，即“先進配置與電源接口”)規(guī)范的溫控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護功能，可用來監(jiān)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(guī)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(chǎn)生中斷，再通過電源控制器發(fā)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(tǒng)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(lián)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(fā)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(wǎng)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(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準，以實現(xiàn)最佳性能指標。最近，美國Ｂ＆Ｋ公司已開發(fā)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(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行標定的有關數(shù)據(jù)。使用時，傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計算機，首先從計算機輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號，再從軟盤上讀出有關數(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、傳感器設置和記錄工作。
(2)網(wǎng)絡溫度傳感器
網(wǎng)絡溫度傳感器是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡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。最后將測量結果傳輸給網(wǎng)絡，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(tǒng)
單片系統(tǒng)(System On Chip)是21世紀一項高新科技產(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108~109元件/片，這將給IC產(chǎn)業(yè)及IC應用帶來劃時代的進步。半導體工業(yè)協(xié)會(SIA)對單片系統(tǒng)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(tǒng)，相信在不久的將來即可面市。
表1單片系統(tǒng)集成電路的發(fā)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(shù)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(shù) 2000 2600 3600 4800
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