新型數(shù)字溫度傳感器ADT75的原理及應(yīng)用

引 言
??? ADT75是ADI公司生產(chǎn)的集溫度傳感器、12位A／D轉(zhuǎn)換器、可編程的溫度過(guò)限報(bào)警器和SMBus／I2C總線接口于一體的新型數(shù)字溫度傳感器。其額定工作溫度范圍為-55～+125℃，能準(zhǔn)確、靈敏地檢測(cè)數(shù)字化溫度，溫度誤差最大為±1℃，測(cè)溫分辨率可達(dá)0．062 5℃；工作電壓范圍為3～5．5 V，3．3 V時(shí)典型的功耗為79μW，在關(guān)斷模式下其典型工作電流值僅為3μA。

1 ADT75的引腳及結(jié)構(gòu)原理
??? ADT75的引腳排列如圖1所示，引腳說(shuō)明如表1所列。

??? ADT75采用8引腳的MOSP和SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

??? ADT75的工作過(guò)程為：片上的溫度傳感器采集溫度后，產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度成比例的精確電壓，并與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較；然后輸入到精確的數(shù)字式調(diào)節(jié)器中，轉(zhuǎn)換為有效精度為12位的數(shù)據(jù)。將該數(shù)據(jù)與限定值比較，如果測(cè)量值超限，則OS／ALERT引腳輸出超限信息。
??? 在正常模式下，溫度轉(zhuǎn)換需要60 ms，然后模擬轉(zhuǎn)換電路自動(dòng)關(guān)閉，40 ms后模擬電路上電，開(kāi)始下一個(gè)溫度值的轉(zhuǎn)換。所以一次溫度轉(zhuǎn)換周期為100 ms。

2 ADT75的寄存器結(jié)構(gòu)
??? ADT75包含6個(gè)寄存器：1個(gè)地址指針寄存器，4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和1個(gè)單步模式寄存器。數(shù)據(jù)寄存器中，配置寄存器是唯一的8位寄存器，其他3個(gè)都是16位；溫度值寄存器是唯一的只讀寄存器，其他3個(gè)都是可讀寫(xiě)的。單步模式寄存器也是可讀寫(xiě)的。上電后，地址指針寄存器的初始值為0x00，指針指向溫度值寄存器。ADT75的寄存器描述如表2所列。

??? (1)地址指針寄存器
??? 該8位只讀寄存器存放指向某個(gè)數(shù)據(jù)寄存器的地址，可以選擇單步模式。P0位和P1位選擇要讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器，向P0、P1和P2位中寫(xiě)入0x04來(lái)選擇單步模式。地址指針寄存器的其余位都為0。寄存器的地址選擇如表3所列。

?

??? (2)溫度值寄存器
??? 該16位只讀寄存器存儲(chǔ)由芯片內(nèi)部溫度傳感器測(cè)得的溫度值。溫度以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，最高位為符號(hào)位。讀該寄存器時(shí)，先讀高8位，后讀低8位。
??? (3)配置寄存器
??? 該8位可讀寫(xiě)寄存器為ADT75提供了多種配置模式：關(guān)斷、過(guò)溫中斷、單步、SMBus報(bào)警使能、OS／ALERT引腳極性和過(guò)溫錯(cuò)誤隊(duì)列。
??? (4)THYST定值寄存器
??? 該16位可讀寫(xiě)寄存器為2個(gè)中斷模式存放溫度滯后限定值。這個(gè)限定值以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，最高位是溫度值符號(hào)位。讀該寄存器時(shí)，先讀高8位，后讀低8位。限定值THYST的默認(rèn)值為+75℃。
??? (5)TOS定值寄存器
??? 該16位可讀寫(xiě)寄存器為2個(gè)中斷模式存放過(guò)溫限定值。這個(gè)溫度限定值以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，最高位是溫度值符號(hào)位。讀該寄存器時(shí)，先讀高8位，后讀低8位。限定值TOS的默認(rèn)值為+80℃。

3 ADT75的應(yīng)用實(shí)例
3．1 硬件設(shè)計(jì)
??? 在外界溫度場(chǎng)作用下，光纖延遲線系統(tǒng)中光纖長(zhǎng)度、橫截面結(jié)構(gòu)、光纖纖芯和包層的折射率分布特性會(huì)發(fā)生變化，因此在光纖中傳播的光載波信號(hào)的相位和模式雙折射特性就會(huì)隨溫度的改變而變化，從而影響最終解調(diào)出的微波信號(hào)的延時(shí)。為減小溫度變化對(duì)微波信號(hào)延時(shí)的影響，需要設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，用來(lái)控制系統(tǒng)的溫度。
??? 硬件設(shè)計(jì)電路主要包括2部分：數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812和數(shù)字溫度傳感器ADT75。
??? 采用TI公司推出的TMS320F2812作為核心控制芯片。其外部晶振頻率為30 MHz，通過(guò)片內(nèi)的PLL進(jìn)行倍頻，最高主頻可達(dá)150 MHz；運(yùn)行速度快，可以對(duì)采集的溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。
??? TMS320F2812沒(méi)有設(shè)計(jì)I2C總線，但是有56個(gè)GPIO口，所以采用GPIO口模擬I2C總線時(shí)序來(lái)控制ADT75。這種硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗較低，實(shí)用性強(qiáng)。ADT75與TMS320F2812的接口電路如圖3所示。

??? TMS320F2812的GPIOB0引腳用作I2C總線的時(shí)鐘信號(hào)線，GPIOB1引腳用作I2C總線的串行數(shù)據(jù)線。供電電壓為5 V，10 kΩ電阻為開(kāi)漏極的上拉電阻，0．1μF電容起去耦作用。本設(shè)計(jì)僅實(shí)時(shí)采集光纖延遲線系統(tǒng)的溫度，不需要過(guò)溫報(bào)警，所以O(shè)S／ALERT引腳保留。ADT75的地址為7位，高4位為1001，低3位由地址引腳A0～A2決定。由于只有一片ADT75，故可將其3個(gè)地址引腳全部接地，則芯片地址可確定為1001000。溫控系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的溫度在TMS320F2812內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算，然后通過(guò)外部的溫度控制裝置對(duì)光纖延遲線內(nèi)部溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其穩(wěn)定在某個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)。

3．2 軟件設(shè)計(jì)
??? 利用死循環(huán)等待函數(shù)while(1)中的ReadDevice()函數(shù)從ADT75中讀取溫度值。每隔250 ms讀取一次溫度值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
??? ReadDevice()函數(shù)包括以下函數(shù)：Start()，Stop()，SendAddress()，ReadAck()，ReceiveData()，Mack()，MNack()。讀取溫度的流程如圖4所示，讀取溫度的時(shí)序如圖5所示。

??? (1)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸
??? 在頭文件中對(duì)TMS320F2812的GPIOB口進(jìn)行配置。定義GPIOB0為SCL，輸出；GPIOB1為SDA，輸出。Start()函數(shù)模擬I2C總線的起始條件：

???
??? 至此，完成了I2C總線的啟動(dòng)。

(2)傳送ADT75地址
??? 在讀取溫度值之前必須向從器件發(fā)送地址。ADT75的7位地址為0x48。由于是讀數(shù)據(jù)(讀／寫(xiě)位為1)，所以傳送的8位地址命令為0x91。在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)SCL為0時(shí)，才允許SDA上的數(shù)據(jù)變化；為1時(shí)，SDA上的數(shù)據(jù)保持不變。8位地址傳送結(jié)束后，主機(jī)釋放SDA(令SDA=1)，等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)。
??? (3)檢測(cè)ADT75的應(yīng)答位
??? I2C總線傳輸完8位數(shù)據(jù)后由從機(jī)給主機(jī)一個(gè)低電平的應(yīng)答信號(hào)，表示從機(jī)正常工作并可以接收下一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。檢測(cè)ADT75的應(yīng)答位時(shí)，應(yīng)注意把GPIOB1口設(shè)置為輸入。

??? EALLOW：
??? GpioMuxRegs．GPBDIR．bit．GPIOB1=0；
??? EDIS；
??? 如果SDA=0，則TMSS20F2812開(kāi)始從ADT75中讀取數(shù)據(jù)的高字節(jié)；SDA=1，表示ADT75忙或者損壞，結(jié)束數(shù)據(jù)讀取。
??? (4)讀取數(shù)據(jù)
??? 當(dāng)檢測(cè)到ADT75的應(yīng)答信號(hào)為0時(shí)，開(kāi)始讀取溫度值。I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸是以字節(jié)為單位的，首先讀取溫度值的高字節(jié)(溫度值的整數(shù)部分，最高位為符號(hào)位)，讀取的數(shù)據(jù)存放在retc中。每接收1位數(shù)據(jù)，retc左移1位。若SDA=1，retc加1；SDA=0，retc不變。

???
??? 高8位數(shù)據(jù)傳輸完后，TMS320F2812傳給ADT75一個(gè)低電平的應(yīng)答信號(hào)，由Mack()函數(shù)完成。此時(shí)，需要將GPIOB1端口的數(shù)據(jù)傳輸方向改為輸出：
??? EALLOW：
??? GpioMuxRegs．GPBDIR．bit．GPIOB1=1；
??? EDIS：
??? 然后開(kāi)始接收溫度值的低字節(jié)(溫度值的小數(shù)部分)，讀取成功后由TMS320F2812發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答位，表示本次溫度值的讀取結(jié)束，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。
??? (5)結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸
??? 結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸由Stop()函數(shù)完成，結(jié)束條件如下：

???

??? Delay(50)；
??? 至此，讀取一個(gè)溫度值的全過(guò)程結(jié)束。在程序調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)置斷點(diǎn)單步運(yùn)行時(shí)，無(wú)法檢測(cè)到ADT75發(fā)出的低電平應(yīng)答信號(hào)，應(yīng)答信號(hào)始終為1；若不設(shè)斷點(diǎn)連續(xù)執(zhí)行時(shí)，則可以檢測(cè)到低電平應(yīng)答信號(hào)。這點(diǎn)是ADT75和其他I2C總線器件(如E2PROM芯片AT24C256)的不同之處，在調(diào)試程序的過(guò)程中要注意該細(xì)節(jié)。
??? ADT75的溫度轉(zhuǎn)換周期為100 ms。在本設(shè)計(jì)中，每隔大約250 ms讀取一次溫度值，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)光纖延遲線系統(tǒng)溫度的變化。

結(jié) 語(yǔ)
??? 在光纖延遲線系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，ADT75完全能夠滿足實(shí)時(shí)溫度采集的要求，而且測(cè)溫準(zhǔn)確，靈敏度高。由于使用了I2C總線接口，所以溫度檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，串行接口占用TMS320F2812的資源少，可靠性高，功耗低，不易受環(huán)境干擾。實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)和運(yùn)行都達(dá)到了令人滿意的效果。