TSic系列高精度溫度傳感器的應(yīng)用

摘要：數(shù)字溫度傳感器因其低成本、易使用、無需校準(zhǔn)等特點(diǎn)近年來得到廣泛應(yīng)用，其中以DS18B20為代表。目前常用的數(shù)字溫度傳感器與傳統(tǒng)的鉑溫度傳感器相比，測(cè)量精度還不夠高。本文介紹的TSic系列的精度可達(dá)到±0．07℃，并且具有長期穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：高精度數(shù)字溫度傳感器；單片機(jī)；TSic；DS18B20

引言
    TSic是IST(Innovative Sensor Technology)公司單總線溫度傳感器IC的注冊(cè)商標(biāo)。TSic產(chǎn)品系列由集成芯片和已校準(zhǔn)的溫度傳感器組成，內(nèi)部集成了用于模擬或數(shù)字信號(hào)輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。TSic系列的測(cè)量精度為±0．5～±0．07℃，是目前精度極高的數(shù)字溫度傳感器IC，優(yōu)于DIN Y(1／3 DIN B)鉑傳感器的精度。信號(hào)分辨率為0．1～0．004℃。TSic不僅有出色的精度，而且具有長期穩(wěn)定性。IST公司還提供TSic的精度范嗣偏移定制校準(zhǔn)服務(wù)。
    TSic系列有標(biāo)準(zhǔn)0～1 V模擬電壓輸出、比例10％～90％V+電壓輸出和11位數(shù)字信號(hào)輸出3種方式，用戶可根據(jù)自己的需求選擇適用的型號(hào)。TSic的低功耗(典型值為30μA)使其非常適合移動(dòng)應(yīng)用。TSic還有無需校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換速度快(100 ms)和易使用等優(yōu)點(diǎn)。

1 計(jì)算公式和通信協(xié)議
1．1 TSic輸出信號(hào)的計(jì)算公式
    ◆數(shù)字輸出：T=(Digital_signal／2047×(HT～LT)+LT)℃
    ◆模擬輸出信號(hào)：T=(Sig[Volt]×(HT-LT)+LT)℃
    ◆比例輸出信號(hào)：T=((Sig[V]／VDD[V]-0．1)／0．8×(HT-LT)+LT)℃
    不同的型號(hào)有不同的LT和HT，例如精度±0．1℃的TSic 50x，其LT=-10，HT=60。
1．2 用于TSic的ZACwire通信協(xié)議
    ZACwire是一種單線雙向通信協(xié)議。位編碼類似于時(shí)鐘信號(hào)嵌入數(shù)據(jù)信號(hào)中的曼徹斯特編碼(信號(hào)的下降沿以固定周期產(chǎn)生)。這樣協(xié)議對(duì)兩個(gè)IC之間通信時(shí)波特率的差異就很不敏感。
    在終端用戶應(yīng)用中，TSic傳送溫度信息，另一個(gè)IC(通常是MCU)通過ZACwire讀溫度數(shù)據(jù)。
    TSic發(fā)送長度為1字節(jié)的數(shù)據(jù)包。這些包由1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)奇偶校驗(yàn)位組成。常用的波特率是8 kbps(125μs位寬)。信號(hào)的常態(tài)是高電平。當(dāng)傳輸開始，起始信號(hào)發(fā)生，緊接著是數(shù)據(jù)位(先高后低)，包的結(jié)尾是偶校驗(yàn)位。ZACwire數(shù)據(jù)包如圖1所示。

    Tsic提供11位分辨率的溫度數(shù)據(jù)，11位數(shù)據(jù)不能在單個(gè)包中傳遞。一個(gè)來自TSic的完整溫度數(shù)據(jù)包由2個(gè)包組成。第1個(gè)包包含高3位溫度信息，第2個(gè)包包含低8位溫度信息。在第1個(gè)傳輸包的末端和第2個(gè)傳輸包的開始之間有一個(gè)寬度為二分之一信號(hào)位寬的高信號(hào)，即停止位。來自TSic的全ZACwire溫度數(shù)據(jù)包如圖2所示。

    ZAcwire的位格式是占空比編碼。起始位：50％占空比，用于設(shè)置閘門時(shí)間。邏輯1：75％占空比。邏輯0：25％占空比。停止位：信號(hào)高電平，持續(xù)半位寬度時(shí)間。在包中的字節(jié)之間有一個(gè)半停止位時(shí)間。ZACwire位編碼時(shí)序如圖3所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
    圖4是某個(gè)應(yīng)用中與TSic相關(guān)部分的電路圖。

    圖中溫度傳感器U2的圖標(biāo)借用了晶體管的圖標(biāo)，該設(shè)計(jì)兼容DS18B20和TSic，如果使用TSic則不接R2。引腳2是數(shù)據(jù)線，引腳3是傳感器的電源。
    傳感器的電源沒有直接接到VCC，原因如下：MCU可以用中斷方式或查詢方式讀TSic的數(shù)據(jù)。當(dāng)連接ZACwire信號(hào)到MCU的引腳時(shí)，能夠在起始位的下降沿引發(fā)一個(gè)中斷，使MCU轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序ISR。當(dāng)使用查詢方式時(shí)，MCU必須發(fā)起讀溫度操作，這可以用MCU的一個(gè)引腳提供電源到TSic來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)MCU要讀溫度時(shí)，該引腳首先給TSic供電，大約65～85 ms后它將收到一個(gè)溫度數(shù)據(jù)包。這種開關(guān)TSic的方法有額外的好處，就像掉電模式，可以將靜態(tài)電流從通常的45μA減小到0。
    TSic是一種混合信號(hào)IC，需要低噪聲供電。通過MCU的引腳供電易受MCU電源的數(shù)字噪聲的影響，因此要在MCU的供電引腳加一個(gè)RC濾波器，即圖4中的R1和C，C盡可能接近TSic V+和地。
    在裝配時(shí)要特別注意安裝工藝會(huì)影響精度。SOP-8封裝適用于PCB自動(dòng)組裝，但是回流焊工藝會(huì)影響已校準(zhǔn)的精度。為了用這種封裝實(shí)現(xiàn)高精度，IST公司提供組裝后的校準(zhǔn)。在小批量應(yīng)用中應(yīng)選用TO92封裝，使用冷連接工藝安裝。TO92封裝還可以裝在不銹鋼探頭中。
    為TSic提供電源的MCU引腳要由一個(gè)強(qiáng)CMOS推挽驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，圖4中用P3．5為TSic供電。STC11L16XE是可以選擇端口工作模式的，可以將P3．5配置為強(qiáng)推挽輸出模式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)ZACwire線用普通的8051端口就可以。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 怎樣讀包
    測(cè)量起始位下降沿和上升沿之間的時(shí)間，該時(shí)間(Tstrobe)就是選通時(shí)間，其寬度為位寬度(bit window)的一半。再等待一個(gè)Tstrobe的時(shí)間，即在下一個(gè)下降沿，開始采樣ZACwire信號(hào)。因?yàn)槊總€(gè)位都以一個(gè)下降沿開始，所以每個(gè)位的采樣窗口都會(huì)復(fù)位。這意味著從起始位開始的比特流將不會(huì)發(fā)生誤差。
    建議當(dāng)捕獲起始位時(shí)，ZACwire信號(hào)的采樣率至少為正常波特率的16倍。因?yàn)檎２ㄌ芈适? kHz，當(dāng)捕獲Tstrobe時(shí)要求最小128 kHz的采樣速率。
    當(dāng)起始位的下降沿產(chǎn)生時(shí)，它引發(fā)MCU進(jìn)入一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)，遞增一個(gè)內(nèi)存位置，直到看見ZACwire信號(hào)的上升沿。該計(jì)數(shù)值就是Tstrobe。在獲得Tstrobe后，MCU就可以簡單地等待下面9個(gè)下降沿(8個(gè)用于數(shù)據(jù)，1個(gè)用于奇偶校驗(yàn))。在每個(gè)下降沿之后，MCU等待Tstrobe期滿，然后采樣下一個(gè)位。
    下面給出一個(gè)TSic 506的應(yīng)用例子，使用其他型號(hào)的傳感器時(shí)測(cè)量范圍和計(jì)算公式需要調(diào)整。
3．2 8051 C語言代碼
    代碼使用查詢方式讀TSic數(shù)據(jù)。代碼中對(duì)于選通時(shí)間并沒有進(jìn)行精確測(cè)量，而是用延時(shí)函數(shù)估計(jì)。延時(shí)函數(shù)delay_10us是用邏輯分析儀對(duì)STC11L16XE標(biāo)定的，使用其他MCU需要重新標(biāo)定。




結(jié)語
    Tsic溫度傳感器與其他單總線溫度傳感器相比，具有精度高、測(cè)量范圍寬、同等分辨率下轉(zhuǎn)換速度快、操作簡單、支持模擬輸出等優(yōu)點(diǎn)。Tsic與鉑傳感器相比，在校準(zhǔn)范圍內(nèi)精度可以更高。Tsic系列溫度傳感器IC具有極高的性價(jià)比，在需要高精度測(cè)溫的場合具有良好的應(yīng)
用前景。