|
現(xian)代信(xin)息技(ji)術的(de)三大(da)基礎(chu)是信(xin)息采(cai)集(即(ji)傳感(gan)器技(ji)術)、信(xin)息傳(chuan)輸(通(tong)信技(ji)術)和(he)信息(xi)處理(li)(計算(suan)機技(ji)術)。傳(chuan)感器(qi)屬于(yu)信息(xi)技術(shu)的前(qian)沿尖(jian)端産(chan)品,尤(you)其是(shi)溫度(du)傳感(gan)器被(bei)廣泛(fan)用于(yu)工農(nong)業生(sheng)産、科(ke)學研(yan)究和(he)生活(huo)等領(ling)域,數(shu)量高(gao)居各(ge)種傳(chuan)感器(qi)之首(shou)。近百(bai)年來(lai),溫度(du)傳感(gan)器的(de)發展(zhan)大緻(zhi)經曆(li)了以(yi)下三(san)個階(jie)段;(1)傳(chuan)統的(de)分立(li)式溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)(含敏(min)感元(yuan)件);(2)模(mo)拟集(ji)成溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)/控制(zhi)器;(3)智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)。目前(qian),國際(ji)上新(xin)型溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)正從(cong)模拟(ni)式向(xiang)數字(zi)式、由(you)集成(cheng)化向(xiang)智能(neng)化、網(wang)絡化(hua)的方(fang)向發(fa)展。
1集(ji)成溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)的産(chan)品分(fen)類
1.1模(mo)拟集(ji)成溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)
集成(cheng)傳感(gan)器是(shi)采用(yong)矽半(ban)導體(ti)集成(cheng)工藝(yi)而制(zhi)成的(de),因此(ci)亦稱(cheng)矽傳(chuan)感器(qi)或單(dan)片集(ji)成溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)。模拟(ni)集成(cheng)溫度(du)傳感(gan)器是(shi)在20世(shi)紀80年(nian)代問(wen)世的(de),它是(shi)将溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)集成(cheng)在一(yi)個芯(xin)片上(shang)、可完(wan)成溫(wen)度測(ce)量及(ji)模拟(ni)信号(hao)輸出(chu)功能(neng)的專(zhuan)用IC。模(mo)拟集(ji)成溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)的主(zhu)要特(te)點是(shi)功能(neng)單一(yi)(僅測(ce)量溫(wen)度)、測(ce)溫誤(wu)差小(xiao)、價格(ge)低、響(xiang)應速(su)度快(kuai)、傳輸(shu)距離(li)遠、體(ti)積小(xiao)、微功(gong)耗等(deng),适合(he)遠距(ju)離測(ce)溫、控(kong)溫,不(bu)需要(yao)進行(hang)非線(xian)性校(xiao)準,外(wai)圍電(dian)路簡(jian)單。它(ta)是目(mu)前在(zai)國内(nei)外應(ying)用最(zui)爲普(pu)遍的(de)一種(zhong)集成(cheng)傳感(gan)器,典(dian)型産(chan)品有(you)AD590、AD592、TMP17、LM135等。
1.2模(mo)拟集(ji)成溫(wen)度控(kong)制器(qi)
模拟(ni)集成(cheng)溫度(du)控制(zhi)器主(zhu)要包(bao)括溫(wen)控開(kai)關、可(ke)編程(cheng)溫度(du)控制(zhi)器,典(dian)型産(chan)品有(you)LM56、AD22105和MAX6509。某(mou)些增(zeng)強型(xing)集成(cheng)溫度(du)控制(zhi)器(例(li)如TC652/653)中(zhong)還包(bao)含了(le)A/D轉換(huan)器以(yi)及固(gu)化好(hao)的程(cheng)序,這(zhe)與智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)有某(mou)些相(xiang)似之(zhi)處。但(dan)它自(zi)成系(xi)統,工(gong)作時(shi)并不(bu)受微(wei)處理(li)器的(de)控制(zhi),這是(shi)二者(zhe)的主(zhu)要區(qu)别。
1.3智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)
智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器(亦(yi)稱數(shu)字溫(wen)度傳(chuan)感器(qi))是在(zai)20世紀(ji)90年代(dai)中期(qi)問世(shi)的。它(ta)是微(wei)電子(zi)技術(shu)、計算(suan)機技(ji)術和(he)自動(dong)測試(shi)技術(shu)(ATE)的結(jie)晶。目(mu)前,國(guo)際上(shang)已開(kai)發出(chu)多種(zhong)智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器系(xi)列産(chan)品。智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)内部(bu)都包(bao)含溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)、A/D轉換(huan)器、信(xin)号處(chu)理器(qi)、存儲(chu)器(或(huo)寄存(cun)器)和(he)接口(kou)電路(lu)。有的(de)産品(pin)還帶(dai)多路(lu)選擇(ze)器、中(zhong)央控(kong)制器(qi)(cpu)、随機(ji)存取(qu)存儲(chu)器(RAM)和(he)隻讀(du)存儲(chu)器(ROM)。智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)的特(te)點是(shi)能輸(shu)出溫(wen)度數(shu)據及(ji)相關(guan)的溫(wen)度控(kong)制量(liang),适配(pei)各種(zhong)微控(kong)制器(qi)(MCU);并且(qie)它是(shi)在硬(ying)件的(de)基礎(chu)上通(tong)過軟(ruan)件來(lai)實現(xian)測試(shi)功能(neng)的,其(qi)智能(neng)化程(cheng)度也(ye)取決(jue)于軟(ruan)件的(de)開發(fa)水平(ping)。
2智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器發(fa)展的(de)新趨(qu)勢
進(jin)入21世(shi)紀後(hou),智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器正(zheng)朝着(zhe)高精(jing)度、多(duo)功能(neng)、總線(xian)标準(zhun)化、高(gao)可靠(kao)性及(ji)安全(quan)性、開(kai)發虛(xu)拟傳(chuan)感器(qi)和網(wang)絡傳(chuan)感器(qi)、研制(zhi)單片(pian)測溫(wen)系統(tong)等高(gao)科技(ji)的方(fang)向迅(xun)速發(fa)展。
2.1提(ti)高測(ce)溫精(jing)度和(he)分辨(bian)力
在(zai)20世紀(ji)90年代(dai)中期(qi)最早(zao)推出(chu)的智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi),采用(yong)的是(shi)8位A/D轉(zhuan)換器(qi),其測(ce)溫精(jing)度較(jiao)低,分(fen)辨力(li)隻能(neng)達到(dao)1°C。目前(qian),國外(wai)已相(xiang)繼推(tui)出多(duo)種高(gao)精度(du)、高分(fen)辨力(li)的智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi),所用(yong)的是(shi)9~12位A/D轉(zhuan)換器(qi),分辨(bian)力一(yi)般可(ke)達0.5~0.0625°C。由(you)美國(guo)DALLAS半導(dao)體公(gong)司新(xin)研制(zhi)的DS1624型(xing)高分(fen)辨力(li)智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器,能(neng)輸出(chu)13位二(er)進制(zhi)數據(ju),其分(fen)辨力(li)高達(da)0.03125°C,測溫(wen)精度(du)爲±0.2°C。爲(wei)了提(ti)高多(duo)通道(dao)智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器的(de)轉換(huan)速率(lü),也有(you)的芯(xin)片采(cai)用高(gao)速逐(zhu)次逼(bi)近式(shi)A/D轉換(huan)器。以(yi)AD7817型5通(tong)道智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)爲例(li),它對(dui)本地(di)傳感(gan)器、每(mei)一路(lu)遠程(cheng)傳感(gan)器的(de)轉換(huan)時間(jian)分别(bie)僅爲(wei)27us、9us。
2.2增加(jia)測試(shi)功能(neng)
新型(xing)智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器的(de)測試(shi)功能(neng)也在(zai)不斷(duan)增強(qiang)。例如(ru),DS1629型單(dan)線智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)增加(jia)了實(shi)時日(ri)曆時(shi)鍾(RTC),使(shi)其功(gong)能更(geng)加完(wan)善。DS1624還(hai)增加(jia)了存(cun)儲功(gong)能,利(li)用芯(xin)片内(nei)部256字(zi)節的(de)E2PROM存儲(chu)器,可(ke)存儲(chu)用戶(hu)的短(duan)信息(xi)。另外(wai),智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器正(zheng)從單(dan)通道(dao)向多(duo)通道(dao)的方(fang)向發(fa)展,這(zhe)就爲(wei)研制(zhi)和開(kai)發多(duo)路溫(wen)度測(ce)控系(xi)統創(chuang)造了(le)良好(hao)條件(jian)。?br>
智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器都(dou)具有(you)多種(zhong)工作(zuo)模式(shi)可供(gong)選擇(ze),主要(yao)包括(kuo)單次(ci)轉換(huan)模式(shi)、連續(xu)轉換(huan)模式(shi)、待機(ji)模式(shi),有的(de)還增(zeng)加了(le)低溫(wen)極限(xian)擴展(zhan)模式(shi),操作(zuo)非常(chang)簡便(bian)。對某(mou)些智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)而言(yan),主機(ji)(外部(bu)微處(chu)理器(qi)或單(dan)片機(ji))還可(ke)通過(guo)相應(ying)的寄(ji)存器(qi)來設(she)定其(qi)A/D轉換(huan)速率(lü)(典型(xing)産品(pin)爲MAX6654),分(fen)辨力(li)及最(zui)大轉(zhuan)換時(shi)間(典(dian)型産(chan)品爲(wei)DS1624)。
能溫(wen)度控(kong)制器(qi)是在(zai)智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器的(de)基礎(chu)上發(fa)展而(er)成的(de)。典型(xing)産品(pin)有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智(zhi)能溫(wen)度控(kong)制器(qi)适配(pei)各種(zhong)微控(kong)制器(qi),構成(cheng)智能(neng)化溫(wen)控系(xi)統;它(ta)們還(hai)可以(yi)脫離(li)微控(kong)制器(qi)單獨(du)工作(zuo),自行(hang)構成(cheng)一個(ge)溫控(kong)儀。
2.3總(zong)線技(ji)術的(de)标準(zhun)化與(yu)規範(fan)化
目(mu)前,智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)的總(zong)線技(ji)術也(ye)實現(xian)了标(biao)準化(hua)、規範(fan)化,所(suo)采用(yong)的總(zong)線主(zhu)要有(you)單線(xian)(1-Wire)總線(xian)、I2C總線(xian)、SMBus總線(xian)和spI總(zong)線。溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)作爲(wei)從機(ji)可通(tong)過專(zhuan)用總(zong)線接(jie)口與(yu)主機(ji)進行(hang)通信(xin)。
2.4可靠(kao)性及(ji)安全(quan)性設(she)計
傳(chuan)統的(de)A/D轉換(huan)器大(da)多采(cai)用積(ji)分式(shi)或逐(zhu)次比(bi)較式(shi)轉換(huan)技術(shu),其噪(zao)聲容(rong)限低(di),抑制(zhi)混疊(die)噪聲(sheng)及量(liang)化噪(zao)聲的(de)能力(li)比較(jiao)差。新(xin)型智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)(例如(ru)TMP11/26、LM74、LM83)普遍(bian)采用(yong)了高(gao)性能(neng)的Σ-Δ式(shi)A/D轉換(huan)器,它(ta)能以(yi)很高(gao)的采(cai)樣速(su)率和(he)很低(di)的采(cai)樣分(fen)辨力(li)将模(mo)拟信(xin)号轉(zhuan)換成(cheng)數字(zi)信号(hao),再利(li)用過(guo)采樣(yang)、噪聲(sheng)整形(xing)和數(shu)字濾(lü)波技(ji)術,來(lai)提高(gao)有效(xiao)分辨(bian)力。Σ-Δ式(shi)A/D轉換(huan)器不(bu)僅能(neng)濾除(chu)量化(hua)噪聲(sheng),而且(qie)對外(wai)圍元(yuan)件的(de)精度(du)要求(qiu)低;由(you)于采(cai)用了(le)數字(zi)反饋(kui)方式(shi),因此(ci)比較(jiao)器的(de)失調(diao)電壓(ya)及零(ling)點漂(piao)移都(dou)不會(hui)影響(xiang)溫度(du)的轉(zhuan)換精(jing)度。這(zhe)種智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)兼有(you)抑制(zhi)串模(mo)幹擾(rao)能力(li)強、分(fen)辨力(li)高、線(xian)性度(du)好、成(cheng)本低(di)等優(you)點。
爲(wei)了避(bi)免在(zai)溫控(kong)系統(tong)受到(dao)噪聲(sheng)幹擾(rao)時産(chan)生誤(wu)動作(zuo),在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等(deng)智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器的(de)内部(bu),都設(she)置了(le)一個(ge)可編(bian)程的(de)“故障(zhang)排隊(dui)(fAultqueue)”計數(shu)器,專(zhuan)用于(yu)設定(ding)允許(xu)被測(ce)溫度(du)值超(chao)過上(shang)、下限(xian)的次(ci)數。僅(jin)當被(bei)測溫(wen)度連(lian)續超(chao)過上(shang)限或(huo)低于(yu)下限(xian)的次(ci)數達(da)到或(huo)超過(guo)所設(she)定的(de)次數(shu)n(n=1~4)時,才(cai)能觸(chu)發中(zhong)斷端(duan)。若故(gu)障次(ci)數不(bu)滿足(zu)上述(shu)條件(jian)或故(gu)障不(bu)是連(lian)續發(fa)生的(de),故障(zhang)計數(shu)器就(jiu)複位(wei)而不(bu)會觸(chu)發中(zhong)斷端(duan)。這意(yi)味着(zhe)假定(ding)n=3時,那(na)麽偶(ou)然受(shou)到一(yi)次或(huo)兩次(ci)噪聲(sheng)幹擾(rao),都不(bu)會影(ying)響溫(wen)控系(xi)統的(de)正常(chang)工作(zuo)。
LM76型智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)增加(jia)了溫(wen)度窗(chuang)口比(bi)較器(qi),非常(chang)适合(he)設計(ji)一個(ge)符合(he)ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce,即“先(xian)進配(pei)置與(yu)電源(yuan)接口(kou)”)規範(fan)的溫(wen)控系(xi)統。這(zhe)種系(xi)統具(ju)有完(wan)善的(de)過熱(re)保護(hu)功能(neng),可用(yong)來監(jian)控筆(bi)記本(ben)電腦(nao)和服(fu)務器(qi)中CPU及(ji)主電(dian)路的(de)溫度(du)。微處(chu)理器(qi)最高(gao)可承(cheng)受的(de)工作(zuo)溫度(du)規定(ding)爲tH,台(tai)式計(ji)算機(ji)一般(ban)爲75°C,高(gao)檔筆(bi)記本(ben)電腦(nao)的專(zhuan)用CPU可(ke)達100°C。一(yi)旦CPU或(huo)主電(dian)路的(de)溫度(du)超出(chu)所設(she)定的(de)上、下(xia)限時(shi), INT端立(li)即使(shi)主機(ji)産生(sheng)中斷(duan),再通(tong)過電(dian)源控(kong)制器(qi)發出(chu)信号(hao),迅速(su)将主(zhu)電源(yuan)關斷(duan)起到(dao)保護(hu)作用(yong)。此外(wai),當溫(wen)度超(chao)過CPU的(de)極限(xian)溫度(du)時,嚴(yan)重超(chao)溫報(bao)警輸(shu)出端(duan)(T_CRIT_A)也能(neng)直接(jie)關斷(duan)主電(dian)源,并(bing)且該(gai)端還(hai)可通(tong)過獨(du)立的(de)硬件(jian)關斷(duan)電路(lu)來切(qie)斷主(zhu)電源(yuan),以防(fang)主電(dian)源控(kong)制失(shi)靈。上(shang)述三(san)重安(an)全性(xing)保護(hu)措施(shi)已成(cheng)爲國(guo)際上(shang)設計(ji)溫控(kong)系統(tong)的新(xin)觀念(nian)。
爲防(fang)止因(yin)人體(ti)靜電(dian)放電(dian)(ESD)而損(sun)壞芯(xin)片。一(yi)些智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)還增(zeng)加了(le)ESD保護(hu)電路(lu),一般(ban)可承(cheng)受1000~4000V的(de)靜電(dian)放電(dian)電壓(ya)。通常(chang)是将(jiang)人體(ti)等效(xiao)于由(you)100PF電容(rong)和1.2K歐(ou)姆電(dian)阻串(chuan)聯而(er)成的(de)電路(lu)模型(xing),當人(ren)體放(fang)電時(shi),TCN75型智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)的串(chuan)行接(jie)口端(duan)、中斷(duan)/比較(jiao)器信(xin)号輸(shu)出端(duan)和地(di)址輸(shu)入端(duan)均可(ke)承受(shou)1000V的靜(jing)電放(fang)電電(dian)壓。LM83型(xing)智能(neng)溫度(du)傳感(gan)器則(ze)可承(cheng)受4000V的(de)靜電(dian)放電(dian)電壓(ya)。
最新(xin)開發(fa)的智(zhi)能溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)(例如(ru)MAX6654、LM83)還增(zeng)加了(le)傳感(gan)器故(gu)障檢(jian)測功(gong)能,能(neng)自動(dong)檢測(ce)外部(bu)晶體(ti)管溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)(亦稱(cheng)遠程(cheng)傳感(gan)器)的(de)開路(lu)或短(duan)路故(gu)障。MAX6654還(hai)具有(you)選擇(ze)“寄生(sheng)阻抗(kang)抵消(xiao)”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion,英文(wen)縮寫(xie)爲prc)模(mo)式,能(neng)抵消(xiao)遠程(cheng)傳感(gan)器引(yin)線阻(zu)抗所(suo)引起(qi)的測(ce)溫誤(wu)差,即(ji)使引(yin)線阻(zu)抗達(da)到100歐(ou)姆,也(ye)不會(hui)影響(xiang)測量(liang)精度(du)。遠程(cheng)傳感(gan)器引(yin)線可(ke)采用(yong)普通(tong)雙絞(jiao)線或(huo)者帶(dai)屏蔽(bi)層的(de)雙絞(jiao)線。
2.5虛(xu)拟溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)和網(wang)絡溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)
(1)虛拟(ni)傳感(gan)器
虛(xu)拟傳(chuan)感器(qi)是基(ji)于傳(chuan)感器(qi)硬件(jian)和計(ji)算機(ji)平台(tai)、并通(tong)過軟(ruan)件開(kai)發而(er)成的(de)。利用(yong)軟件(jian)可完(wan)成傳(chuan)感器(qi)的标(biao)定及(ji)校準(zhun),以實(shi)現最(zui)佳性(xing)能指(zhi)标。最(zui)近,美(mei)國B&K公(gong)司已(yi)開發(fa)出一(yi)種基(ji)于軟(ruan)件設(she)置的(de)TEDS型虛(xu)拟傳(chuan)感器(qi),其主(zhu)要特(te)點是(shi)每隻(zhi)傳感(gan)器都(dou)有唯(wei)一的(de)産品(pin)序列(lie)号并(bing)且附(fu)帶一(yi)張軟(ruan)盤,軟(ruan)盤上(shang)存儲(chu)着對(dui)該傳(chuan)感器(qi)進行(hang)标定(ding)的有(you)關數(shu)據。使(shi)用時(shi),傳感(gan)器通(tong)過數(shu)據采(cai)集器(qi)接至(zhi)計算(suan)機,首(shou)先從(cong)計算(suan)機輸(shu)入該(gai)傳感(gan)器的(de)産品(pin)序列(lie)号,再(zai)從軟(ruan)盤上(shang)讀出(chu)有關(guan)數據(ju),然後(hou)自動(dong)完成(cheng)對傳(chuan)感器(qi)的檢(jian)查、傳(chuan)感器(qi)參數(shu)的讀(du)取、傳(chuan)感器(qi)設置(zhi)和記(ji)錄工(gong)作。
(2)網(wang)絡溫(wen)度傳(chuan)感器(qi)
網絡(luo)溫度(du)傳感(gan)器是(shi)包含(han)數字(zi)傳感(gan)器、網(wang)絡接(jie)口和(he)處理(li)單元(yuan)的新(xin)一代(dai)智能(neng)傳感(gan)器。數(shu)字傳(chuan)感器(qi)首先(xian)将被(bei)測溫(wen)度轉(zhuan)換成(cheng)數字(zi)量,再(zai)送給(gei)微控(kong)制器(qi)作數(shu)據處(chu)理。最(zui)後将(jiang)測量(liang)結果(guo)傳輸(shu)給網(wang)絡,以(yi)便實(shi)現各(ge)傳感(gan)器之(zhi)間、傳(chuan)感器(qi)與執(zhi)行器(qi)之間(jian)、傳感(gan)器與(yu)系統(tong)之間(jian)的數(shu)據交(jiao)換及(ji)資源(yuan)共享(xiang),在更(geng)換傳(chuan)感器(qi)時無(wu)須進(jin)行标(biao)定和(he)校準(zhun),可做(zuo)到“即(ji)插即(ji)用(Plug&PlAy)”,這(zhe)樣就(jiu)極大(da)地方(fang)便了(le)用戶(hu)。
2.6單片(pian)測溫(wen)系統(tong)
單片(pian)系統(tong)(System On Chip)是21世(shi)紀一(yi)項高(gao)新科(ke)技産(chan)品。它(ta)是在(zai)芯片(pian)上集(ji)成一(yi)個系(xi)統或(huo)子系(xi)統,其(qi)集成(cheng)度将(jiang)高達(da)108~109元件(jian)/片,這(zhe)将給(gei)IC産業(ye)及IC應(ying)用帶(dai)來劃(hua)時代(dai)的進(jin)步。半(ban)導體(ti)工業(ye)協會(hui)(SIA)對單(dan)片系(xi)統集(ji)成所(suo)作的(de)預測(ce)見表(biao)1。目前(qian),國際(ji)上一(yi)些著(zhe)名的(de)IC廠家(jia)已開(kai)始研(yan)制單(dan)片測(ce)溫系(xi)統,相(xiang)信在(zai)不久(jiu)的将(jiang)來即(ji)可面(mian)市。
表(biao)1單片(pian)系統(tong)集成(cheng)電路(lu)的發(fa)展預(yu)測
年(nian) 份 2001 2002 2007 2010
最(zui)小線(xian)寬/um 0.18 0.13 0.1 0.07
包(bao)含晶(jing)體管(guan)數量(liang)/片 1.3X108 2.5X108 5X108 9X108
成(cheng)本/(晶(jing)體管(guan)/毫美(mei)分) 0.2 0.1 0.05 0.02
芯(xin)片尺(chi)寸/mm2 750 900 1100 1400
電(dian)源電(dian)壓/V 1.8 1.5 1.2 0.9
新(xin)片I/O數(shu) 2000 2600 3600 4800
|