TSic系列高精度溫度傳感器的應(yīng)用

朱艷麗，陳拓

（中國(guó)科學(xué)院 西安網(wǎng)絡(luò)中心，西安 710043）

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（1／3DIN 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(zhǎng)期穩(wěn)定性。IST公司還提供TSic的精度范圍偏移定制校準(zhǔn)服務(wù)。

TSic系列有標(biāo)準(zhǔn)0～1V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(wú)需校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換速度快（100ms）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(guò)ZACwire讀溫度數(shù)據(jù)。

TSic發(fā)送長(zhǎng)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8kbps（125μs位寬）。信號(hào)的常態(tài)是高電平。當(dāng)傳輸開(kāi)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。

圖1 ZACwire數(shù)據(jù)包

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(lái)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(kāi)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(lái)自TSic的全ZACwire溫度數(shù)據(jù)包如圖2所示。

圖2 來(lái)自TSic的全ZACwire溫度數(shù)據(jù)包

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。

圖3 ZACwire位編碼時(shí)序

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(méi)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(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)MCU要讀溫度時(shí)，該引腳首先給TSic供電，大約65～85ms后它將收到一個(gè)溫度數(shù)據(jù)包。這種開(kāi)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(guò)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(lái)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(kāi)始采樣ZACwire信號(hào)。因?yàn)槊總€(gè)位都以一個(gè)下降沿開(kāi)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(kāi)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128kHz的采樣速率。

圖4 TSic應(yīng)用電路圖

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(jiàn)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(jiǎn)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 8051C語(yǔ)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(méi)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。極高的性價(jià)比，在需要高精度測(cè)溫的場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景。

結(jié) 語(yǔ)

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(jiǎn)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

［1］IST.TSic 506F／503F／501Fhigh precision，longterm stable temperature sensor IC IST AG［OL］.［2011－10］.http：／／www.ist－ag.com.

［2］IST.TSic Temperature Sensor IC Technical Notes－ZACwire Digital Output Tech Notes－ZACwire Digital Output，Rev.2.3 ［OL］.（2006－10－17）［2011－10］.http：／／www.ist－ag.com.