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                            智能温度传★感器的发展趋势

                            现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算◥机技术☉)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。近百年来,温度传感器的♀发展大致经历了以下三个阶段;(1)传统的分立式温Ψ度传感器(含□敏感元件);(2)模拟集成温度传感器/控制器;(3)智能温度传感∮器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网∮络化的方向发展←。

                            1集成温度传▓感器的产品分类
                            1.1模拟集成温度传感器
                            集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的㊣,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成「温度传感器是在20世纪80年代问世的,它是将温度传感器集成№在一个芯片上、可完成温度测※量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的№主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应↓速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控温,不需要进⊙行非线性校准,外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感ζ器,典ㄨ型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。

                            1.2模拟集』成温度控制器
                            模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器,典型产╱品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强』型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包ω 含了A/D转换器以及固化好的程序,这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统,工作时并不受微处理器的控制,这是二者的主要区@ 别。

                            1.3智能温度传感器
                            智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机ㄨ技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前,国际上已开发出多≡种智能温度传感器系列产〓品。智能温度传感器内部都包含温〓度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制∏器(cpu)、随机存取≡存储器(RAM)和只︾读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控◢制量,适配各种卐微控制器(MCU);并且它是在硬件的基础上通过软件来实▂现测试功能的,其智能化程度也取决于软件█的开发▲水平。

                            2智能温度传感器发展的新趋势
                            进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟卐传感器和网络传感器、研制▂单片测温系▲统等高科技的方【向迅速发展。

                            2.1提高々测温精度和分辨力
                            在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1°C。目前,国外已相继推出多种高精度、高分々辨力的智←能温度传感器,所用的是9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5~0.0625°C。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高ξ 达0.03125°C,测温精度为±0.2°C。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。

                            2.2增加测︻试功能
                            新型ω智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如,DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。DS1624还∮增加了存储功能,利用芯片@ 内部256字节的E2PROM存储器,可存储用▲户的短信息。另外,智能√温度传感器正︼从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和开◣发多路温度测控系统创造了良好条件。?br>

                            智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择,主要包括单∮◥次转换模式、连↓续转换模式、待机模式,有的√还增加了低温极限扩展模式,操作非常简便。对某些智能温度传▲感器而言,主机(外部微处■理器或单片机)还可通过相应的寄存器∞来设定其A/D转换速率(典型¤产品为MAX6654),分辨力及最大转换时间(典型产品为▃DS1624)。

                            能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能温度控制器适配各☉种微控制器,构成智能化温∞控系统;它们还可以脱离微控制器单独工作,自行构成一个温控仪。

                            2.3总线技术的标准化与规①范】化
                            目前,智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。

                            2.4可靠性及安全性设计
                            传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转∏换技术㊣,其噪声容⊙限低,抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型智能温度传感器(例如TMP03/04、LM74、LM83)普遍采Ψ用了高性能的Σ-Δ式A/D转换器,它能以很高的采样速〓率和很低的采样分辨力将〗模拟信号转换成数字信号,再利〖用过采样』、噪声整形和数字滤波↘技∩术,来提高有效分辨力。Σ-Δ式A/D转换器不仅能滤除量化噪声,而且对々外围元件的精度要求低;由于采用了数字反馈方式,因此比较器的〓失调电◣压及零点漂移都不会影@ 响温度的转换精度。这种智能温度传感器兼有抑∩制★串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。

                            为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动■作,在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能温度卐传ζ感器的内部,都设置了一个可编程的“故障排队(fAultqueue)”计数器,专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续ㄨ超过上限↑或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n(n=1~4)时,才能触发ζ中断≡端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的,故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假▲定n=3时,那么∞偶然受到一次〇或两次噪声干扰,都不会Ψ影响温控系统的正常工作。

                            LM76型智能』温度传感器增加了温度窗口比较器,非常适合设计一个符合ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce,即“先进配置与电源接口”)规范→的温控系卐统。这种系统具有完善的过热保护功能,可用来◆监控笔记本电脑和服↙务器中CPU及主电路▂的温度。微处理【器最高可承受的工作温度规定为tH,台式计算机一般为75°C,高档笔记本电脑的专用CPU可达100°C。一旦CPU或主电路的温度⌒超出所设定的↙上、下限时, INT端立▲即使主机产生中断,再通过电源控制器发「出信号,迅速将主电源关」断起到保护作用。此外,当温度超过CPU的极限⌒温度时,严重超温报警输♀出端(T_CRIT_A)也能↘直接关断」主电源,并且该端还可通㊣ 过独立的硬件关断电路◥来切断主电源,以防主电源控制▆失灵。上述三重安全性保护措施已成为国际上设计温㊣ 控系统的新观念。

                            为★防止因人体静电放电(ESD)而损坏芯♀片。一些智能温度ω传感器还增加了ESD保护电路,一般可承受1000~4000V的①静电放电电压。通常是将人体等效于由100PF电容和1.2K欧△姆电阻串∮联而成的电路模型,当①人体放电时,TCN75型智能温度传感︼器的串行接口端、中断/比较ω 器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的★静电放电电压。LM83型智能温度传感器则可承受4000V的静电放电电压。

                            最新开发的∮智能温度传感器(例如MAX6654、LM83)还增加了传感器故障☉检测功能,能自动检测外部晶体管温◆度传感器(亦称远程传感器)的∩开路或短路◣故障。MAX6654还具有选择◥“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion,英文缩写※为prc)模式,能抵◢消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差,即使引线阻抗达到100欧姆,也不会影∴响测量精度。远程传感器▓引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线╱。

                            2.5虚拟温度传感器和网络」温度传感器
                            (1)虚拟传感器
                            虚拟传感器是基于传感器硬件和计算机平台、并通过√软件开发◆而成的。利用软件可完成传感』器的标定及校准,以实现∑ 最佳性能指标。最近,美国B&K公司已开发出一种基于软件设置的※TEDS型虚拟传感器※,其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘,软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据☆。使用时,传感器通过☆∏数据采集器接至计算机,首先从计算机输入该传感器的产△品序列号,再从软盘上读出有关数据▼,然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器▽设置和记录工作。

                            (2)网络温〗度传感〖器
                            网络温度传↘感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智←能传感器。数字传感器首先将被测温度转换成数字量,再送给微控制器作数据处理。最后将测ω 量结果传输给网络,以便实现各传感器之∑间、传感器与执行】器之间、传感器与系统】之间的】数据交换及资源共享,在更换传感器时无须进行标定和校准,可做到“即插即用(Plug&PlAy)”,这样就极大地方便了用户。

                            2.6单片〗测温系统
                            单片系统(System On Chip)是21世纪一◎项高新科技产品。它是在芯○片上集成一个系统或子系统,其集成度将高◣达108~109元件/片,这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。半导体工业协会(SIA)对单片系统集成所作的预测】见表1。目前,国际上一些著名【的IC厂家已开始研制↑单片测温系统,相信在不久的将来即可面市。

                            表1单片系统集成电路的发展预测
                            年 份 2001 2002 2007 2010
                            最小线宽/um 0.18 0.13 0.1 0.07
                            包含晶体管数量/片 1.3X108 2.5X108 5X108 9X108
                            成本/(晶体管/毫美分) 0.2 0.1 0.05 0.02
                            芯片尺寸/mm2 750 900 1100 1400
                            电源电压/V 1.8 1.5 1.2 0.9
                            新片I/O数 2000 2600 3600 4800

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