数字温度传感器TC77与AVR单片机的接口设计

1概述

    TC77是Microchip公司生产的一款13位串行接口输出的集成数字温度传感器，其温度数据由热传感单元转换得来。TC77内部含有一个13位ADC，温度分辨率为0.062 5℃／LSB。在正常工作条件下，静态电流为250μA(典型值)。其他设备与TC77的通信由SPI串行总线或Microwire兼容接口实现，该总线可用于连接多个TC77，实现多区域温度监控，配置寄存器CONFIG中的SHDN位激活低功耗关断模式，此时电流消耗仅为0.1μA(典型值)。TC77具有体积小巧、低装配成本和易于操作的特点，是系统热管理的理想选择。

2 TC77的内部结构及引脚功能

    图1所示为TC77的内部结构原理图。TC77由CMOS结型温度传感器、带符号位的13位∑-△A／D转换器、温度寄存器、配置寄存器、制造商ID寄存器及三线制串行接口等部分组成。

其引脚定义如下：

SI／O：串行数据引脚

SCK：串行时钟

Vss：地

CE：片选端(低电平有效)

VDD：电源电压(6.0 V)

3 TC77的工作原理

    数字温度传感器TC77从固态(PN结)传感器获得温度并将其转换成数字数据。再将转换后的温度数字数据存储在其内部寄存器中，并能在任何时候通过SPI串行总线接口或Microwire兼容接口读取。TC77有两种工作模式，即连续温度转换模式和关断模式。连续温度转换模式用于温度的连续测量和转换，关断模式用于降低电源电流的功耗敏感型应用。

3.1 TC77的上电与复位

    上电或电压复位时，TC77即处于连续温度转换模式，上电或电压复位时的第一次有效温度转换会持续大约300 ms，在第一次温度转换结束后，温度寄存器的第2位被置为逻辑“1”，而在第一次温度转换期间，温度寄存器的第2位是被置为逻辑“0”的，因此，可以通过监测温度寄存器第2位的状态判断第一次温度转换是否结束。

3.2 TC77的低功耗关断模式

    在得到TC77允许后，主机可将其置为低功耗关断模式，此时，A／D转换器被中止，温度数据寄存器被冻结，但SPI串行总线端口仍然正常运行。通过设置配置寄存器CONFIG中的SHDN位，可将TC77置于低功耗关断模式：即设置SHDN=0时为正常模式；SHDN=1时为低功耗关断模式。

3.3 TC77的温度数据格式

    TC77采用13位二进制补码表示温度，表1所列是TC77的温度、二进制码补码及十六进制码之间的关系。表中最低有效位(LSB)为0.062 5 ℃，最后两个LSB位(即位1和位0)为三态，表中为“1”。在上电或电压复位事件后发生第一次温度转换结束时，位2被置为逻辑“1”。

3.4 TC77的串行总线

    TC77的串行总线包括片选信号线CE、串行时钟信号线SCK及串行数据信号线SI／O，遵循SPI或Mi-crowire接口标准协议。在有多个TC77连接到串行时钟和串行数据信号线时，CE用于选择其中的某一个TC77器件，CS为逻辑“0”时，用于写入器件或从器件中读出数据的同步；CS为逻辑“1”时，SCK被禁止。CS的下降沿启动器件间的相互通信，CS的上升沿则停止器件间的相互通信。图2是对温度寄存器进行读操作的时序。

    图3是TC77的多字节通信操作时序，包括对温度寄存器的读操作和对配置寄存器的写操作。第一组的16个SCK脉冲用于将TC77的温度数据传送到微处理器，第二组的16个SCK脉冲用于接收微处理器的指令，以便使TC77进入关断模式或连续转换模式。写入TC77配置寄存器的数据应为全0或全1，分别与连续转换模式或关断模式相对应，当配置寄存器的C0～C7全为1时为关断模式，当C0～C7中有一个0被写入时即变为连续转换模式。

4 TC77与AVR单片机的接口

4.1 TC77与AVR单片机的硬件接口

    图4是TC77与AVR单片机的接口硬件连接原理图。图中使用的是同步串行三线SPI接口，可以方便地连接采用SPI通信协议的外设或另一片AVR单片机，实现短距离的高速同步通信。

    ATmega128的SPI采用硬件方式实现面向字节的全双工3线同步通信，支持主机、从机和两种不同极性的SPI时序。ATmega128单片机内部的SPI接口也可用于程序存储器和数据E2PROM的编程下载和上传。但需要特别注意的是，此时SPI的MOSI和MISO接口不再对应PB2和PB3引脚，而是转换到PE0和PE1引脚(PDI、PDO)。

4.2 TC77与AVR单片机的软件接口

    TC77与AVR单片机的接口软件包括主程序和中断服务程序。在主程序中首先要对ATmega128的硬件SPI进行初始化。在初始化时，应将PORTB的MOSI、SCLK和SS引脚作为输出，同时将MISO引脚作为输入，并开启上拉电阻。接着对SPI的寄存器进行初始化设置，并空读一次SPSR(SPX Status Reg-ister，SPI状态寄存器)、SPDR(SPI Data Register SPI，数据寄存器)，使ISP空闲等待发送数据。AVR的SPI由一个16位的循环移位寄存器构成，当数据从主机方移出时，从机的数据同时也被移入，因此SPI的发送和接收可在同一中断服务程序中完成。在SPI中断服务程序中，先从SPDR中读一个接收的字节存人接收数据缓冲器中，再从发送数据缓冲器取出一个字节写入SPDR中，由ISP发送到从机。数据一旦写入SPDR，ISP硬件开始发送数据。下一次ISP中断时表示发送完成，并同时收到一个数据。程序中putSPIchar()和getSPIchar()为应用程序的底层接口函数，同时也使用了两个数据缓冲器，分别构成循环队列。下面这段代码是通过SPI主机方式连续批量输出、输人数据的接口程序：

5 结束语

    TC77可与具有SPI或相同接口的MCU直接连接，对于不具有SPI接口的MCU则可通过软件编程合成SPI操作。TC77非常适用于温度测控的低成本和小型应用，如电脑硬盘驱动器或PC其他外围设备的热保护，同时也适用于要求较低的温度测量与控制系统。