兼容SPI接口的低功耗數(shù)字溫度傳感器ADT7301及其接口技術(shù)
關(guān)鍵詞：溫度傳感器；SPI；ADT7301
１ 概述
ＡＤＴ７３０１是一個完整的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，有ＳＯＴ－３２和ＭＳＯＰ兩種封裝形式。在芯片內(nèi)部集成了一個用于溫度監(jiān)測的帶隙溫度傳感器和一個１３位ＡＤ轉(zhuǎn)換器，其最小溫度分辨率為０．０３１２５°Ｃ。ＡＤＴ７３０１帶有一個非常靈活的串行接口，可非常容易地與大多數(shù)微控制器接口；而且該接口還可與ＳＰＩＴＭ、ＱＳＰＩ及ＭＩＣＲＯＷＩＲＥＴＭ協(xié)議及ＤＳＰ接口兼容，通過串口控制可使器件處于待機模式。ＡＤＴ７３０１的寬供電電源范圍、低供電電流及與ＳＰＩ兼容的接口使得該器件非常適合于個人計算機、辦公設(shè)備及家電設(shè)備等各種領(lǐng)域。
ＡＤＴ７３０１功能特性如下：
●供電電源＋２．７Ｖ～＋５．５Ｖ；
●內(nèi)含１３位數(shù)字溫度傳感器；
●測溫精度為±０．５℃；
●具有０．０３１２５℃溫度分辨率；
●工作電流典型值為１μＡ；
●帶有ＳＰＩ及ＤＳＰ兼容的串行接口；
●工作溫度范圍寬達－４０～＋１５０℃；
●采用節(jié)省空間的ＳＯＴ－２３和ＭＳＯＰ封裝。
２ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管腳說明
２．１ 管腳描述
ＡＤＴ７３０１模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示。該器件具有６腳ＳＯＴ－２３和８腳ＭＯＳＰ兩種封裝形式，各引腳的功能如下：
ＧＮＤ：模擬地和數(shù)字地；
ＤＩＮ：串行數(shù)據(jù)輸入口。裝入芯片控制寄存器的數(shù)據(jù)可在時鐘ＳＣＬＫ上升沿通過該管腳串行輸入；
ＶＤＤ：供電電源正輸入端。 供電電源范圍為：＋２．７Ｖ～＋５．５Ｖ；
ＳＣＬＫ：與串行端口對應(yīng)的串行時鐘輸入；
ＣＳ：片選輸入，低電平有效；
ＤＯＵＴ：串行數(shù)據(jù)輸出端口。溫度值在串行時鐘ＳＣＬＫ的下降沿通過該管腳串行輸出。
ＡＤＴ７３０１的串行接口由ＣＳ、ＳＣＬＫ、ＤＩＮ及ＤＯＵＴ四線構(gòu)成。將ＣＳ和ＤＩＮ接地可使該接口工作于兩線模式，在這種模式下，該接口只能通過ＤＯＵＴ來讀取數(shù)據(jù)寄存器中的值。推薦使用ＣＳ端口，這樣有利于ＡＤＴ７３０１與其主控器件之間同步。ＤＩＮ端口用于寫控制寄存器，也可使芯片處于節(jié)電模式。使用時，在電源和地線之間應(yīng)加一個０．１μＦ的去耦電容。
圖2
２．２ 工作過程與應(yīng)用時序
ＡＤＴ７３０１內(nèi)部集成有晶體振蕩器，所以工作時只需在串口接入時鐘，而不需再提供Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換時鐘。該芯片具有兩種工作模式，即正常工作模式和節(jié)電工作模式。在正常工作模式，內(nèi)部時鐘振蕩器將驅(qū)動自動轉(zhuǎn)換時序，從而使芯片每秒鐘對模擬電路上電一次，以進行一次溫度轉(zhuǎn)換。完成一次溫度轉(zhuǎn)換一般需８００μｓ，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，芯片的模擬電路自動斷電，并在１秒鐘后自動上電。因此，在溫度值寄存器中總可以得到最新的溫度轉(zhuǎn)換值。
通過設(shè)置ＡＤＴ７３０１控制寄存器可將其設(shè)置為節(jié)電模式。在節(jié)電模式下，片內(nèi)振蕩器被關(guān)閉，ＡＤＴ７３０１不進行溫度轉(zhuǎn)換，直到恢復(fù)到正常工作模式?？上蚩刂萍拇嫫髦袑懥闶蛊浠謴?fù)到正常工作模式。在進入節(jié)電模式前?其溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果即使在進入節(jié)電模式后仍可被正確讀取。
在正常轉(zhuǎn)換模式下，執(zhí)行讀／寫操作時，其內(nèi)部振蕩器可在讀寫操作結(jié)束后自動復(fù)位，以使溫度轉(zhuǎn)換器能夠重新進行溫度轉(zhuǎn)換。若在ＡＤＴ７３０１進行溫度轉(zhuǎn)換過程中執(zhí)行讀寫操作?則會使其自動停止轉(zhuǎn)換，并在串行通訊結(jié)束后又重新開始，而讀取的溫度值是前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。ＡＤＴ７３０１執(zhí)行讀／寫操作時的時序如圖２所示。
當(dāng)片選端口ＣＳ為低時，ＳＣＬＫ時鐘輸入有效，而在執(zhí)行讀操作后，系統(tǒng)會將２位零標(biāo)志位、１位符號位和１３位的數(shù)據(jù)位在１６個時鐘脈沖下降沿從溫度值寄存器中取出。如果ＣＳ持續(xù)為低的時間超過１６個ＳＣＬＫ時鐘周期，ＡＤＴ７３０１將循環(huán)輸出２位零標(biāo)志位加１４位數(shù)值位。而一旦ＣＳ變?yōu)楦唠娖?，ＤＯＵＴ輸出端將處于高阻狀態(tài)?此時輸出數(shù)據(jù)將在ＳＣＬＫ的下降沿被鎖存在ＤＯＵＴ線上。
ＡＤＴ７３０１的寫操作與讀操作可同步進行。當(dāng)寫數(shù)據(jù)流中的第三位寫１而其余位為０時， ＡＤＴ７３０１進入節(jié)電模式；寫數(shù)據(jù)流全為０時，為正常工作模式。在正常工作模式?數(shù)據(jù)在第１６個ＳＣＬＫ的上升沿被裝入控制寄存器并立刻起作用。若ＣＳ在第１６個ＳＣＬＫ上升沿之前變?yōu)楦唠娖?，那么，控制寄存器中的?shù)據(jù)將不會被裝入，但此時工作模式不變。
２．３ 溫度值編碼
溫度值寄存器是一個１４位的只讀寄存器，用于存儲ＡＤＣ的１３位二進制補碼加１位符號位的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果(最高位為符號位)。理論上，ＡＤＣ測量的溫度范圍可達２５５℃，實際上，內(nèi)部溫度傳感器能確保的溫度范圍為－４０℃～ ＋１５０℃。溫度數(shù)據(jù)格式如表１所列。
表1 溫度寄存器數(shù)據(jù)格式
| 溫度值（℃） | 數(shù)據(jù)輸出DB13DB0 |
| -40 | 11，1011 0000 0000 |
| -30 | 11，1100 0100 0000 |
| -25 | 11，1100 1110 0000 |
| -10 | 11，1110 1100 0000 |
| -0.3125 | 11，1111 1111 1111 |
| 0 | 00，0000 0000 0000 |
| +0.3125 | 00，0000 0000 0001 |
| +10 | 00，0001 0100 0000 |
| +25 | 00，0011 0010 0000 |
| +50 | 00，0110 0100 0000 |
| +75 | 00，1001 0110 0000 |
| +100 | 00，1100 1000 0000 |
| +125 | 00，1111 1010 0000 |
| +150 | 01，0010 1100 0000 |
其溫度轉(zhuǎn)換公式如下：
正溫度值＝ＡＤＣ轉(zhuǎn)換結(jié)果代碼（ｄ）／３２；
負溫度值＝(ＡＤＣ轉(zhuǎn)換結(jié)果代碼（ｄ）－１６３８４)／３２（使用符號位）；
負溫度值＝(ＡＤＣ轉(zhuǎn)換結(jié)果代碼（ｄ）－８１９２)／３２（不使用符號位）。
３ 應(yīng)用電路
３．１ ＡＤＴ７３０１與單片機的串行接口電路
圖３為ＡＤＴ７３０１與單片機的串行通訊接口電路，該接口方式具有轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點，但不能被設(shè)置成節(jié)電工作模式。
這里應(yīng)注意的是：由于在單片機串行通訊中是先低后高，而ＡＤＴ７３０１在向外串行輸出溫度值時是先高后低，所以要先進行高低位互換?然后再進行處理，具體處理程序這里不再給出。下面是ＡＤＴ７３０１與８０５１單片機進行串行接口的軟件編程：
；＊＊＊＊＊主程序＊＊＊＊＊
ｍａｉｎ:
ｃａｌｌ ｒｅｃｅｉｖｅ ?;讀取溫度值子程序
ｃａｌｌ ｄｉｓｐｏｓｅ ?;讀取結(jié)果處理子程序
ｓｊｍｐ ＄
;＃＃＃串行通訊子程序＃＃＃
ｒｅｃｅｉｖｅ: ｓｅｔｂ ｐ１．３
ｍｏｖ ｓｃｏｎ,＃１１ｈ ?;選擇串行口為方式０接收
ｍｏｖ ｒ７,＃２ ;字節(jié)計數(shù)
ｍｏｖ ｒ０,＃３０ｈ ;指向溫度值緩沖區(qū)
ｃｌｒ ｐ１．３ ;選通ＡＤＴ７３０１
ｃｌｒ ｒｉ ?;清接收中斷標(biāo)志，準(zhǔn)備接收
ｌｏｏｐ: ｊｎｂ ｒｉ,＄
ｍｏｖ ａ,ｓｂｕｆ
ｍｏｖ ＠ｒ０,ａ
ｉｎｃ ｒ０
ｃｌｒ ｒｉ
ｄｊｎｚ ｒ７,ｌｏｏｐ
ｓｅｔｂ ｐ１．３
ｒｅｔ
３．２ ＡＤＴ７３０１與單片機的全雙工通訊接口
通過ＡＤＴ７３０１與單片機的全雙工通訊接口可以使ＡＤＴ７３０１工作在節(jié)電模式。圖４是ＡＤＴ７３０１與８０５１單片機進行全雙工通訊接口連接圖。相應(yīng)的軟件編程如下。
?＃＃＃全雙工通訊子程序＃＃＃
ｓｅｔｂ ｐ１．３
ｍｏｖ ｒ０,＃３０ｈ ?;讀溫度值緩沖器?３０ｈ３１ｈ?
ｍｏｖ ｒ１,＃３２ｈ ?;控制寄存器寫入值（３２ｈ３３ｈ）
ｍｏｖ ｒ６,＃０８ｈ ?;循環(huán)移位計數(shù)
ｍｏｖ ｒ７,＃０２ｈ ? ;字節(jié)計數(shù)
ｃｌｒ ｐ１．３ ? ;選通
ｌｏｏｐ０:
ｓｅｔｂ ｐ１．０ ?;控制ｐ１．０產(chǎn)生下降沿
ｃｌｒ ｐ１．０ ?;準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)
ｍｏｖ ｃｙ,ｐ１．１ ?;讀值
ｍｏｖ ａ,＠ｒ０ ?;將上次結(jié)果重裝入
ｒｌｃ ａ ?;移位存儲讀取結(jié)果
ｍｏｖ ＠ｒ０,ａ ?;暫存
ｍｏｖ ａ,＠ｒ１ ?;將要寫入值給累加器
ｒｌｃ ａ ?;移出要寫入位
ｍｏｖ ｐ１．２,ｃｙ ?;循環(huán)寫入
ｍｏｖ ＠ｒ１,ａ ?;暫存
ｄｊｎｚ ｒ７?ｌｏｏｐ０
ｉｎｃ ｒ０
ｉｎｃ ｒ１
ｄｊｎｚ ｒ７,ｌｏｏｐ０
ｃｌｒ ｐ１．３
ｒｅｔ
４ 結(jié)束語
ＡＤＴ７３０１可用于測量物體的表面溫度或空氣溫度。由于該器件采用低功耗設(shè)計，因此，在利用熱傳導(dǎo)粘結(jié)劑將ＡＤＴ７３０１粘結(jié)到被測物體表面時，測得的溫度與表面實際溫度之差不超過０．１℃。另外，當(dāng)被測物周圍溫度與被測物表面溫度存在溫度差時，應(yīng)注意將器件的背面和管腳與周圍空氣隔離開。由于接地引腳提供了管芯最好的熱傳導(dǎo)途徑，因此，管芯溫度與印制電路板的地線溫度最接近，所以應(yīng)保證該管腳與被測表面良好接觸。
該溫度傳感器不宜長期處于極限工作狀態(tài)，當(dāng)工作在＋１５０℃時，該器件的使用壽命是其工作在＋５５℃時的５％。當(dāng)長期工作在電壓和溫度極限時，器件的結(jié)構(gòu)完整性也將會遭到破壞。
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