带I2C接口的数字温度传感器TMP101及其应用

    摘要：TMP101是TI公司生产的12位低功耗、高精度数字温度传感器，较宽的温度测量范围和较高的分辨率使其可以广泛应用于许多温度测量场合。TMP101可通过串行总线接口方便地与数字系统相连，同时还具有关闭模式和报警输出。文中介绍了TMP101的内部结构和主要特性，并给出了与PrPMC800模块的接口应用。

    关键词：温度传感器；I2C；SMBus；PrPMC800；TMP101

１　ＴＭＰ１０１的引脚功能和主要特性

ＴＭＰ１０１是ＴＩ公司生产的１２位低功耗、高精度的数字温度传感器?它采用与Ｉ２Ｃ和ＳＭＢｕｓ相兼容的２线数字接口，可应用于许多高分辨率和宽量程温度测量场合，如温度控制系统、个人计算机保护、电子测试仪器、办公设备以及生物医学仪器等方面。ＴＭＰ１０１采用６脚ＳＯＴ２３封装，其引脚排列如图１所示，引脚功能如下：

１脚ＳＣＬ：串行总线时钟，ＣＭＯＳ电平；

２脚ＧＮＤ：接地脚；

３脚ＡＬＥＲＴ：总线报警输出，开路；

４脚 Ｖ＋：电源；

５脚 ＡＤＤ０：用户设置的地址输入；

６脚 ＳＤＡ：串行数据线，ＣＭＯＳ电平，双向，开路；

ＴＭＰ１０１的供电电压范围为２．７～５．５Ｖ，转换精度在９～１２ｂｉｔｓ可选，分辨率高达０．０６２５℃。器件工作温度为－５５℃～１２５℃，最大测量温度超过１５０℃，同时它还具有以下特点：

● 带有串行总线接口；

●具有节省功耗的关闭模式；

●一条Ｉ２Ｃ总线可连接３个ＴＭＰ１０１器件；

●可编程的温度上下限寄存器及开路中断输出；

●温度转换速度比同类产品高，单片报价较低。

图２是ＴＭＰ１０１的典型连接电路，由于其内部集成了高精度温度传感器，所以除了部分信号线需要加上拉电阻外，不需要外接任何元件。当测量温度超过所设定的窗口极限时,通过ＡＬＥＲＴ信号线向主控器发出中断信号进行报警。

表1 配置寄存器的数据格式

２ 内部结构和寄存器功能

ＴＭＰ１０１内部带有数字温度传感器、温度窗口比较器和Ｉ２Ｃ串行总线接口。通过一个带隙型温度传感器和一个１２位Δ－Σ ＡＤ转换器将所采集的温度存储在内部的温度寄存器中。器件根据用户在温度上下限寄存器中设定的ＴＨＩＧＨ和ＴＬＯＷ来在温度窗口比较器中决定是否启动报警输出。控制ＴＭＰ１０１的主机可以对温度窗口的上、下限进行设置，ＴＭＰ１０１自身的可编程迟滞特性与故障队列能将误报情况减至最少。系统上电后器件处于一种缺省阈值状态，其温度报警缺省阈值为：下限温度ＴＬＯＷ＝７５℃，上限温度ＴＨＩＧＨ＝８０℃。ＴＭＰ１０１的功能实现和工作方式主要由内部的５个寄存器来确定，这些寄存器分别是地址指针寄存器（Ｐｏｉｎｔ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、温度值寄存器（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、配置寄存器（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、温度上限寄存器（ ＴＨＩＧＨ Ｒｅｇ-ｉｓｔｅｒ）和温度下限寄存器（ＴＬＯＷ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）。其中器件的工作方式主要通过对配置寄存器的配置来实现，配置寄存器的数据格式见表１所列，各数据位的具体说明如下：

Ｒ１／Ｒ０: 温度传感器分辨率配置位。通过对该两位的配置，可以控制温度传感器的转换分辨率，同时也可以控制转换时间，而且分辨率越高，转换时间也就越长；

Ｆ１／Ｆ０:错误队列配置位。只有温度连续超过限制ｎ次后，报警才会输出，参数ｎ由Ｆ１／Ｆ０来设置，设置错误队列的目的是用来防止环境噪声对报警输出的影响；

ＰＯＬ：ＡＬＥＲＴ极性位。通过ＰＯＬ的设置，可以使控制器和ＡＬＥＲＴ输出的极性一致；

ＴＭ：设置器件工作在比较模式还是中断模式，ＴＭ为１时工作在中断模式，ＴＭ为０时工作在比较模式；

ＳＤ：设置器件是否工作在关断模式，ＳＤ为１时为关断模式，ＳＤ为０时为正常工作方式；

ＯＳ／ＡＬＥＲＴ:在关断模式下，向该位写１，可以开启一次温度转换；在温度比较模式下，该数据位可提供比较模式的状态；

３ 工作方式与串行接口

３．１ 工作方式

正常工作方式下，当所采集的温度在上下限之外时，ＴＭＰ１０１会根据配置寄存器中的ＴＭ状态来决定器件是工作在比较模式还是中断模式。当工作在比较模式下时，所采集的温度等于或大于ＴＨＩＧＨ时，比较器将激活ＡＬＥＲＴ告警输出，提醒主机当前工作温度不正常，只有当温度低于ＴＬＯＷ时，ＡＬＥＲＴ信号才恢复正常。正常工作时，默认方式为比较模式。当器件工作在中断模式下，且所采集的温度在上下限之外时，比较器都会激活ＡＬＥＲＴ报警输出，只有在对寄存器进行读操作或者器件在关断模式下时，ＡＬＥＲＴ信号才恢复正常?在此种模式下可进行系统的耐温测试。

另外，器件还具有节能的关断模式，如果选择该模式，当前的温度转换结束后，器件会自动关断，此时电流消耗只有１ｕＡ，只有向配置寄存器的ＯＳ／ＡＬＥＲＴ位写１才可以开启下一次温度转换。该模式由配置寄存器的ＳＤ数据位来设定。

３．２ 串行接口

ＴＭＰ１０１的２线分别是数据线ＳＤＡ和时钟线ＳＣＬ，当它作为从器件在串行总线上运行时，ＳＣＬ线是输入线，ＳＤＡ线是双向串行数据线。另外，根据串行总线规范，ＴＭＰ１０１有一个７位受控地址，受控地址中的最高有效位设为“１００１０”，另外两个最低有效位通过管脚ＡＤＤ０来控制。当ＳＣＬ为高电平时?ＳＤＡ的数据应当保持稳定?否则?任何ＳＤＡ的变化都被视为控制信号。ＴＭＰ１０１在传送数据过程中共有开始信号、结束、应答三种信号类型。

(１) Ｉ２Ｃ总线通信协议

只有当总线不忙时，才可以开始传送数据。

在传送数据期间，时钟信号线为高电平时，数据线ＳＤＡ必须保持不变，只有在启动／停止状态信号到来后，数据线ＳＤＡ才能改变。

(２) 启动／停止状态信号

当时钟信号为高电平且数据线ＳＤＡ从高电平变为低电平时产生起始位信号。ＴＭＰ１０１监控ＳＤＡ和ＳＣＬ的状态，只有当启动信号到来后，芯片才开始工作。

    时钟信号为高电平且数据线ＳＤＡ从低电平变为高电平时产生停止位信号。当停止信号到来时，所有工作结束。

当主设备器件发送起始信号和ＴＭＰ１０１的地址后，ＴＭＰ１０１便开始监控总线，若接收的地址无误，将发出一个确认信号，并根据Ｒ／Ｗ位的状态来执行读／写操作。

(３) 写操作

写操作时，先由主设备器件向ＴＭＰ１０１发送起始状态和ＴＭＰ１０１的地址信息(Ｒ／Ｗ位＝０)，然后由主设备器件发送数据而由ＴＭＰ１０１接收数据。写操作可以分为１字节写操作和页面(１６字节)写操作两种方式，两者的操作过程基本相同，不同之处在于主设备写入数据的多少。

(４) 读操作

读操作与写操作所不同的是，首先由主设备器件向ＴＭＰ１０１发送起始状态和ＴＭＰ１０１的地址信息(Ｒ／Ｗ位＝１)，然后由ＴＭＰ１０１发送数据而由主设备器件接收数据。读操作分为单字节读操作和连续读操作两种方式? 图３给出了软件读取ＴＭＰ１０１寄存器数值的流程图。

４　和ＰｒＰＭＣ８００模块的接口应用

ＰｒＰＭＣ８００模块是满足ＰＭＣ ＰＣＩ规范的处理机模块，它采用４个标准的６４脚ＰＭＣ接口作为对外总线接口，其中第４个ＰＭＣ接口的１、２引脚是它的Ｉ２Ｃ接口引脚，通过其模块内部的桥接控制ＡＳＩＣ芯片可将该接口的数据传到模块的处理器。该处理器模块对温度要求较高，工作温度范围在０℃～５５℃，所以在实际应用中需要对处理器模块环境温度进行采集和分析，而利用ＴＭＰ１０１可以很方便的实现ＰｒＰＭＣ８００模块的温度采集功能，其功能系统框架图如图４所示。

在该系统中，ＰｒＰＭＣ８００模块作为总线控制器，双方通过Ｉ２Ｃ总线连接，温度采集结果也通过该总线输出。为和ＰｒＰＭＣ８００模块存储ＶＰＤ的ｓｒｏｍ电压兼容，ＴＭＰ１０１芯片采用３．３Ｖ供电，转换精度为０．５℃?测量温度为－５５℃～１２５℃。温度报警输出引脚ＡＬＥＲＴ接入ＣＰＬＤ，当ＡＬＥＲＴ信号有效时，ＣＰＬＤ启动到８００卡的ＨＯＳＴＩＮＴ中断，告知ＣＰＵ系统的温度出现问题。考虑到温度传感器的报警中断输出，系统中采用的是开路输出，可以将几个温度传感器报警输出线相或来构成多点采集温度系统，从而测试单板不同位置的温度，同时也可监测风扇转速对单板温度的影响。

５　结论

实际应用表明，ＴＭＰ１０１芯片具有较高的性能，利用它可以较好地实现预期的设计功能。利用主控ＣＰＵ和多片ＴＭＰ１０１可以很容易地构成一个低电压低功耗的多点数字测温系统，且能得到较高的温测精度和较高的读取速度。该系统目前已被应用于某无线接入服务器的单板系统设计中，实践证明：运行效果良好。