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微控制器与温度传感器之间的接口

时间:2019-02-27   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
温度是模拟量,但数字系统通常使用温度来实现测量,控制和保护功能。如果您应用正确的vr赛车和组件,模拟温度到数字信息的必要转换将不难。
使用微控制器(μC)读取温度的概念很简单。μC读取由热敏电阻分压器,模拟输出温度传感器或其他模拟温度传感器驱动的模数转换器(ADC)的输出代码(图1)。内置于某些控制器的ADC可以简化此设计。ADC需要一个参考电压,该参考电压可由外部器件产生。例如,热敏电阻传感器的参考电压通常与施加到电阻 - 热敏电阻分压器顶部的参考电压相同。但是,在这些系统中可能会出现以下复杂情况:
传感器的输出电压范围明显小于ADC的输入电压范围。用于此目的的典型ADC可能具有8位分辨率和2.5V参考电压,通常等于输入电压范围。如果感兴趣的温度范围的传感器最大输出仅为1.25V,则有效分辨率降至7位。要实现8位分辨率,可以通过外部运算放大器增加增益或降低ADC的参考电压(这可能会降低某些ADC的精度)。
错误预算很紧张。将热敏电阻 - 电阻器组合或模拟传感器器件的误差与ADC的误差相结合,放大器失调电压,增益设置电阻的容差和电压参考误差可能比系统可以容忍的误差更大。
您需要线性温度到代码传输功能,并且您正在使用热敏电阻。热敏电阻的传递函数非常非线性,但在许多应用中所要求的窄温度范围内它可以是足够线性的。您可以使用查找表来补偿非线性,但此方法需要可能无法使用的资源。
ADC输入有限。如果要测量的温度数超过可用的ADC输入数,则可能需要添加多路复用器,这将增加成本和开发时间。
μCI/ O引脚的数量有限。这对内部ADC来说不是问题,但外部串行ADC需要两到四个I / O引脚作为μC的接口。
图1.在这个简单的接口中,ADC的参考电压源自电源电压。模拟温度传感器可以取代热敏电阻 - 电阻分压器。
在这种情况下,ADC(可以在μC内部)需要相当精确的电压参考。
 
如果您使用带数字接口的温度传感器,则会简化设计问题。同样,当ADC输入和μC/ I引脚短路时,具有基于时间或频率的输出的温度传感器可以缓解测量问题(图2))。例如,MAX6576温度传感器产生一个输出方波,其周期与绝对温度成正比。它采用6引脚SOT23封装,占用的电路板空间非常小。单个I / O引脚将该器件与μC连接; 在内部计数器测量周期后,μC计算温度。

图2. MAX6576产生方波,其周期与绝对温度成正比; MAX6577产生与温度成比例的输出频率。
由TS0和TS1引脚将得到的比例常数设置为四个值之一。无需外部组件。
 
将地电压或正电源电压施加到两个逻辑输入中的每一个,选择10μs/°K和640μs/°K之间的四个周期/温度比例常数之一。
 
相关温度传感器(MAX6577)产生输出方波,其频率/温度系数可在0.0675Hz /°K和4Hz /°K之间编程。这两款器件均可通过减少所需的PC板空间,元件数量和模拟/数字I / O资源来简化温度采集。它们通过单个数字I / O引脚将温度数据传输到μC,并且添加单个光隔离器使其成为传感器和CPU之间需要电气隔离的应用的理想选择。
 
为了测量不同位置的多个温度,选择变得更加复杂。只要ADC具有足够的输入,热敏电阻或传统模拟传感器就可以放置在适当的位置并连接到ADC输入。作为替代方案,MAX6575可将温度数据直接传输至μC; 多达8个MAX6575可以连接到单个μCI/ O输入。单个I / O走线将μC连接到这8个MAX6575(图3)。为了测量温度,μC短暂地将I / O线拉低,经过短暂延迟后,第一个MAX6575也将I / O线拉低。该时间延迟与绝对温度成正比,使用MAX6575上的两个引脚编程比例常数。
 
图3.使用延迟方案对温度信息进行编码,多个MAX6575通过单个数字I / O引脚向μC传输多达8个温度。
 
第一个传感器将线路保持低电平,持续一段与温度成正比的时间(5μs/°K),然后将其释放。经过第二次延时后,通过将编程引脚设置为较大的比例常数来选择,第二个MAX6575将I / O拉低并保持一个由5μs/°K定义的时间间隔。这种方式可以将四个MAX6575连接到I / O线。另外四个MAX6575的另一个更长延迟版本可以添加到同一个I / O线。MAX6575L的延迟倍数范围为5μs/°K至80μs/°K,MAX6575H的延迟倍数范围为160μs/°K至640μs/°K。因此,多达8个MAX6575可以位于系统周围的不同位置,通过单个I / O线连接到μC。
 
对于某些系统,所需的信息不是确切的温度??,而是温度是高于还是低于特定值。该信息可以触发冷却风扇,空调,加热器或其他环境控制元件。在系统保护应用中,“过温位”可以触发有序的系统关闭,以避免在系统电源切断时丢失数据。如上例所示,可以通过测量温度来获得这一位信息,但该方法需要比功能需求更多的软件和硬件。
 
用电压比较器代替图1中的ADC,可产生简单的1位输出,可驱动μC上的单个I / O引脚(图4))。同样,所示的热敏电阻可以用模拟电压输出温度传感器代替。大多数此类器件在温度和输出电压之间具有不受电源电压影响的关系。为了保持对电源电压变化的免疫力,请将比较器电阻分压器的顶部连接到电压基准,而不是电源电压。
图4.将传感器与比较器组合产生1位数字输出,可以警告μC温度偏移超过预定阈值或跳变点。
 
通过将传感器 - 比较器组合替换为MAX6501等热敏开关,可以简化系统。该单片器件结合了传感器,比较器,电压基准和外部电阻的功能。当温度超过预设的跳变水平时,漏极开路输出变低。该系列中的某些器件具有漏极开路输出,当温度低于跳变点(MAX6503)时,该漏极输出变为低电平;而当温度高于或低于跳变点时,其他器件的推/拉输出变高(MAX6502,图5,或MAX6504)。此外,通过将封装引脚连接到V +或地,可以将迟滞设置为2°C或10°C。可用的跳闸温度范围为-45°C至+ 115°C,增量为10°C。

图5. MAX6502在温度超过预设阈值时产生逻辑高电平输出。
 
与MAX6575一样,将多个MAX6501或MAX6503连接到单个I / O走线可以在温度超过一个或多个位置的阈值时通知μC。如果系统必须知道哪个位置超过了阈值,则每个开关输出必须连接到单独的I / O引脚。
 
这些传感器测量它们自己的芯片温度,并且由于芯片温度紧密跟踪引线温度,因此应放置每个传感器,使其引线承担被监控元件的温度。但是,在某些情况下,您必须测量未与传感器紧密耦合的温度 - 例如功率ASIC的温度,其芯片可能比周围电路板热得多。内部温度传感器可以使ASIC自身关闭以响应温度故障,但仅此功能缺乏准确性,并且它很少警告系统即将发生热过载。
 
通过在ASIC模具上增加一个外部可访问的p-n结,您可以通过施加两个或多个不同的正向电流通过传感结并测量产生的电压来直接测量模具温度。两个电压之间的差与模具的绝对温度成正比
公式1

其中I 1和I 2是强制通过pn结的两个电流电平,V1和V2是结点上产生的正向电压,T是结的绝对温度,以开尔文为单位,q是电子电荷。
 
当然,这种测量需要精密电路来产生精确的电流比并测量非常小的电压差,同时抑制功率ASIC管芯上的??大瞬态产生的噪声。幸运的是,Maxim的远程结温度传感器将这些精密模拟功能与简单通用的数字接口集成在一起。
 
例如,MAX6654可测量8位(1°C)分辨率的远端结温,并通过SMBus将结果传递至μC(图6))。该设备最初设计用于监控PC中的CPU温度,具有其他功能,可以消除控制器的一些开销。例如,MAX6654通过窗口比较器监控远端结温,当温度高于或低于先前通过μC下载到其寄存器的极限阈值时,中断μC。μC不是连续轮询MAX6654,而是在启动时设置温度阈值,然后忽略MAX6654,直到出现热问题需要注意。
 

图6. MAX6654通过强制电流通过结并测量产生的正向电压来测量外部PN结(分立晶体管,ASIC或CPU的一部分)的温度。