带I2C接口的数字温度传感器TMP101及其应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:TMP101是TI公司生产的12位低功耗、高精度数字温度传感器,较宽的温度测量范围和较高的分辨率使其可以广泛应用于许多温度测量场合。TMP101可通过串行总线接口方便地与数字系统相连,同时还具有关闭模式和报警输出。文中介绍了TMP101的内部结构和主要特性,并给出了与PrPMC800模块的接口应用。 关键词:温度传感器;I2C;SMBus;PrPMC800;TMP101 1 TMP101的引脚功能和主要特性 TMP101是TI公司生产的12位低功耗、高精度的数字温度传感器它采用与I2C和SMBus相兼容的2线数字接口,可应用于许多高分辨率和宽量程温度测量场合,如温度控制系统、个人计算机保护、电子测试仪器、办公设备以及生物医学仪器等方面。TMP101采用6脚SOT23封装,其引脚排列如图1所示,引脚功能如下: 1脚SCL:串行总线时钟,CMOS电平; 2脚GND:接地脚; 3脚ALERT:总线报警输出,开路; 4脚 V+:电源; 5脚 ADD0:用户设置的地址输入; 6脚 SDA:串行数据线,CMOS电平,双向,开路; TMP101的供电电压范围为2.7~5.5V,转换精度在9~12bits可选,分辨率高达0.0625℃。器件工作温度为-55℃~125℃,最大测量温度超过150℃,同时它还具有以下特点: ● 带有串行总线接口; ●具有节省功耗的关闭模式; ●一条I2C总线可连接3个TMP101器件; ●可编程的温度上下限寄存器及开路中断输出; ●温度转换速度比同类产品高,单片报价较低。 图2是TMP101的典型连接电路,由于其内部集成了高精度温度传感器,所以除了部分信号线需要加上拉电阻外,不需要外接任何元件。当测量温度超过所设定的窗口极限时,通过ALERT信号线向主控器发出中断信号进行报警。 表1 配置寄存器的数据格式 Byte D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 OS/ALERT R1 R0 F1 F0 POL TM SD 2 内部结构和寄存器功能 TMP101内部带有数字温度传感器、温度窗口比较器和I2C串行总线接口。通过一个带隙型温度传感器和一个12位Δ-Σ AD转换器将所采集的温度存储在内部的温度寄存器中。器件根据用户在温度上下限寄存器中设定的THIGH和TLOW来在温度窗口比较器中决定是否启动报警输出。控制TMP101的主机可以对温度窗口的上、下限进行设置,TMP101自身的可编程迟滞特性与故障队列能将误报情况减至最少。系统上电后器件处于一种缺省阈值状态,其温度报警缺省阈值为:下限温度TLOW=75℃,上限温度THIGH=80℃。TMP101的功能实现和工作方式主要由内部的5个寄存器来确定,这些寄存器分别是地址指针寄存器(Point Register)、温度值寄存器(Temperature Register)、配置寄存器(Configuration Register)、温度上限寄存器( THIGH Reg-ister)和温度下限寄存器(TLOW Register)。其中器件的工作方式主要通过对配置寄存器的配置来实现,配置寄存器的数据格式见表1所列,各数据位的具体说明如下: R1/R0: 温度传感器分辨率配置位。通过对该两位的配置,可以控制温度传感器的转换分辨率,同时也可以控制转换时间,而且分辨率越高,转换时间也就越长; F1/F0:错误队列配置位。只有温度连续超过限制n次后,报警才会输出,参数n由F1/F0来设置,设置错误队列的目的是用来防止环境噪声对报警输出的影响; POL:ALERT极性位。通过POL的设置,可以使控制器和ALERT输出的极性一致; TM:设置器件工作在比较模式还是中断模式,TM为1时工作在中断模式,TM为0时工作在比较模式; SD:设置器件是否工作在关断模式,SD为1时为关断模式,SD为0时为正常工作方式; OS/ALERT:在关断模式下,向该位写1,可以开启一次温度转换;在温度比较模式下,该数据位可提供比较模式的状态; 3 工作方式与串行接口 3.1 工作方式 正常工作方式下,当所采集的温度在上下限之外时,TMP101会根据配置寄存器中的TM状态来决定器件是工作在比较模式还是中断模式。当工作在比较模式下时,所采集的温度等于或大于THIGH时,比较器将激活ALERT告警输出,提醒主机当前工作温度不正常,只有当温度低于TLOW时,ALERT信号才恢复正常。正常工作时,默认方式为比较模式。当器件工作在中断模式下,且所采集的温度在上下限之外时,比较器都会激活ALERT报警输出,只有在对寄存器进行读操作或者器件在关断模式下时,ALERT信号才恢复正常在此种模式下可进行系统的耐温测试。 另外,器件还具有节能的关断模式,如果选择该模式,当前的温度转换结束后,器件会自动关断,此时电流消耗只有1uA,只有向配置寄存器的OS/ALERT位写1才可以开启下一次温度转换。该模式由配置寄存器的SD数据位来设定。 3.2 串行接口 TMP101的2线分别是数据线SDA和时钟线SCL,当它作为从器件在串行总线上运行时,SCL线是输入线,SDA线是双向串行数据线。另外,根据串行总线规范,TMP101有一个7位受控地址,受控地址中的最高有效位设为“10010”,另外两个最低有效位通过管脚ADD0来控制。当SCL为高电平时SDA的数据应当保持稳定否则任何SDA的变化都被视为控制信号。TMP101在传送数据过程中共有开始信号、结束、应答三种信号类型。 (1) I2C总线通信协议 只有当总线不忙时,才可以开始传送数据。 在传送数据期间,时钟信号线为高电平时,数据线SDA必须保持不变,只有在启动/停止状态信号到来后,数据线SDA才能改变。 (2) 启动/停止状态信号 当时钟信号为高电平且数据线SDA从高电平变为低电平时产生起始位信号。TMP101监控SDA和SCL的状态,只有当启动信号到来后,芯片才开始工作。 时钟信号为高电平且数据线SDA从低电平变为高电平时产生停止位信号。当停止信号到来时,所有工作结束。 当主设备器件发送起始信号和TMP101的地址后,TMP101便开始监控总线,若接收的地址无误,将发出一个确认信号,并根据R/W位的状态来执行读/写操作。 (3) 写操作 写操作时,先由主设备器件向TMP101发送起始状态和TMP101的地址信息(R/W位=0),然后由主设备器件发送数据而由TMP101接收数据。写操作可以分为1字节写操作和页面(16字节)写操作两种方式,两者的操作过程基本相同,不同之处在于主设备写入数据的多少。 (4) 读操作 读操作与写操作所不同的是,首先由主设备器件向TMP101发送起始状态和TMP101的地址信息(R/W位=1),然后由TMP101发送数据而由主设备器件接收数据。读操作分为单字节读操作和连续读操作两种方式 图3给出了软件读取TMP101寄存器数值的流程图。 4 和PrPMC800模块的接口应用 PrPMC800模块是满足PMC PCI规范的处理机模块,它采用4个标准的64脚PMC接口作为对外总线接口,其中第4个PMC接口的1、2引脚是它的I2C接口引脚,通过其模块内部的桥接控制ASIC芯片可将该接口的数据传到模块的处理器。该处理器模块对温度要求较高,工作温度范围在0℃~55℃,所以在实际应用中需要对处理器模块环境温度进行采集和分析,而利用TMP101可以很方便的实现PrPMC800模块的温度采集功能,其功能系统框架图如图4所示。 在该系统中,PrPMC800模块作为总线控制器,双方通过I2C总线连接,温度采集结果也通过该总线输出。为和PrPMC800模块存储VPD的srom电压兼容,TMP101芯片采用3.3V供电,转换精度为0.5℃测量温度为-55℃~125℃。温度报警输出引脚ALERT接入CPLD,当ALERT信号有效时,CPLD启动到800卡的HOSTINT中断,告知CPU系统的温度出现问题。考虑到温度传感器的报警中断输出,系统中采用的是开路输出,可以将几个温度传感器报警输出线相或来构成多点采集温度系统,从而测试单板不同位置的温度,同时也可监测风扇转速对单板温度的影响。 5 结论 实际应用表明,TMP101芯片具有较高的性能,利用它可以较好地实现预期的设计功能。利用主控CPU和多片TMP101可以很容易地构成一个低电压低功耗的多点数字测温系统,且能得到较高的温测精度和较高的读取速度。该系统目前已被应用于某无线接入服务器的单板系统设计中,实践证明:运行效果良好。
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