兼容SPI接口的低功耗数字温度传感器ADT7301及其接口技术
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关键词：温度传感器；SPI；ADT7301
１ 概述
ＡＤＴ７３０１是一个完整的温度监测系统，有ＳＯＴ－３２和ＭＳＯＰ两种封装形式。在芯片内部集成了一个用于温度监测的带隙温度传感器和一个１３位ＡＤ转换器，其最小温度分辨率为０．０３１２５°Ｃ。ＡＤＴ７３０１带有一个非常灵活的串行接口，可非常容易地与大多数微控制器接口；而且该接口还可与ＳＰＩＴＭ、ＱＳＰＩ及ＭＩＣＲＯＷＩＲＥＴＭ协议及ＤＳＰ接口兼容，通过串口控制可使器件处于待机模式。ＡＤＴ７３０１的宽供电电源范围、低供电电流及与ＳＰＩ兼容的接口使得该器件非常适合于个人计算机、办公设备及家电设备等各种领域。
ＡＤＴ７３０１功能特性如下：
●供电电源＋２．７Ｖ～＋５．５Ｖ；
●内含１３位数字温度传感器；
●测温精度为±０．５℃；
●具有０．０３１２５℃温度分辨率；
●工作电流典型值为１μＡ；
●带有ＳＰＩ及ＤＳＰ兼容的串行接口；
●工作温度范围宽达－４０～＋１５０℃；
●采用节省空间的ＳＯＴ－２３和ＭＳＯＰ封装。
２ 内部结构与管脚说明
２．１ 管脚描述
ＡＤＴ７３０１模块的内部结构如图１所示。该器件具有６脚ＳＯＴ－２３和８脚ＭＯＳＰ两种封装形式，各引脚的功能如下：
ＧＮＤ：模拟地和数字地；
ＤＩＮ：串行数据输入口。装入芯片控制寄存器的数据可在时钟ＳＣＬＫ上升沿通过该管脚串行输入；
ＶＤＤ：供电电源正输入端。 供电电源范围为：＋２．７Ｖ～＋５．５Ｖ；
ＳＣＬＫ：与串行端口对应的串行时钟输入；
ＣＳ：片选输入，低电平有效；
ＤＯＵＴ：串行数据输出端口。温度值在串行时钟ＳＣＬＫ的下降沿通过该管脚串行输出。
ＡＤＴ７３０１的串行接口由ＣＳ、ＳＣＬＫ、ＤＩＮ及ＤＯＵＴ四线构成。将ＣＳ和ＤＩＮ接地可使该接口工作于两线模式，在这种模式下，该接口只能通过ＤＯＵＴ来读取数据寄存器中的值。推荐使用ＣＳ端口，这样有利于ＡＤＴ７３０１与其主控器件之间同步。ＤＩＮ端口用于写控制寄存器，也可使芯片处于节电模式。使用时，在电源和地线之间应加一个０．１μＦ的去耦电容。
图2
２．２ 工作过程与应用时序
ＡＤＴ７３０１内部集成有晶体振荡器，所以工作时只需在串口接入时钟，而不需再提供Ａ／Ｄ转换时钟。该芯片具有两种工作模式，即正常工作模式和节电工作模式。在正常工作模式，内部时钟振荡器将驱动自动转换时序，从而使芯片每秒钟对模拟电路上电一次，以进行一次温度转换。完成一次温度转换一般需８００μｓ，转换结束后，芯片的模拟电路自动断电，并在１秒钟后自动上电。因此，在温度值寄存器中总可以得到最新的温度转换值。
通过设置ＡＤＴ７３０１控制寄存器可将其设置为节电模式。在节电模式下，片内振荡器被关闭，ＡＤＴ７３０１不进行温度转换，直到恢复到正常工作模式。可向控制寄存器中写零使其恢复到正常工作模式。在进入节电模式前?其温度转换结果即使在进入节电模式后仍可被正确读取。
在正常转换模式下，执行读／写操作时，其内部振荡器可在读写操作结束后自动复位，以使温度转换器能够重新进行温度转换。若在ＡＤＴ７３０１进行温度转换过程中执行读写操作?则会使其自动停止转换，并在串行通讯结束后又重新开始，而读取的温度值是前一次的转换结果。ＡＤＴ７３０１执行读／写操作时的时序如图２所示。
当片选端口ＣＳ为低时，ＳＣＬＫ时钟输入有效，而在执行读操作后，系统会将２位零标志位、１位符号位和１３位的数据位在１６个时钟脉冲下降沿从温度值寄存器中取出。如果ＣＳ持续为低的时间超过１６个ＳＣＬＫ时钟周期，ＡＤＴ７３０１将循环输出２位零标志位加１４位数值位。而一旦ＣＳ变为高电平，ＤＯＵＴ输出端将处于高阻状态?此时输出数据将在ＳＣＬＫ的下降沿被锁存在ＤＯＵＴ线上。
ＡＤＴ７３０１的写操作与读操作可同步进行。当写数据流中的第三位写１而其余位为０时， ＡＤＴ７３０１进入节电模式；写数据流全为０时，为正常工作模式。在正常工作模式?数据在第１６个ＳＣＬＫ的上升沿被装入控制寄存器并立刻起作用。若ＣＳ在第１６个ＳＣＬＫ上升沿之前变为高电平，那么，控制寄存器中的数据将不会被装入，但此时工作模式不变。
２．３ 温度值编码
温度值寄存器是一个１４位的只读寄存器，用于存储ＡＤＣ的１３位二进制补码加１位符号位的温度转换结果(最高位为符号位)。理论上，ＡＤＣ测量的温度范围可达２５５℃，实际上，内部温度传感器能确保的温度范围为－４０℃～ ＋１５０℃。温度数据格式如表１所列。
表1 温度寄存器数据格式
| 温度值（℃） | 数据输出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 |
其温度转换公式如下：
正温度值＝ＡＤＣ转换结果代码（ｄ）／３２；
负温度值＝(ＡＤＣ转换结果代码（ｄ）－１６３８４)／３２（使用符号位）；
负温度值＝(ＡＤＣ转换结果代码（ｄ）－８１９２)／３２（不使用符号位）。
３ 应用电路
３．１ ＡＤＴ７３０１与单片机的串行接口电路
图３为ＡＤＴ７３０１与单片机的串行通讯接口电路，该接口方式具有转换速度快的优点，但不能被设置成节电工作模式。
这里应注意的是：由于在单片机串行通讯中是先低后高，而ＡＤＴ７３０１在向外串行输出温度值时是先高后低，所以要先进行高低位互换?然后再进行处理，具体处理程序这里不再给出。下面是ＡＤＴ７３０１与８０５１单片机进行串行接口的软件编程：
；＊＊＊＊＊主程序＊＊＊＊＊
ｍａｉｎ:
ｃａｌｌ ｒｅｃｅｉｖｅ ?;读取温度值子程序
ｃａｌｌ ｄｉｓｐｏｓｅ ?;读取结果处理子程序
ｓｊｍｐ ＄
;＃＃＃串行通讯子程序＃＃＃
ｒｅｃｅｉｖｅ: ｓｅｔｂ ｐ１．３
ｍｏｖ ｓｃｏｎ,＃１１ｈ ?;选择串行口为方式０接收
ｍｏｖ ｒ７,＃２ ;字节计数
ｍｏｖ ｒ０,＃３０ｈ ;指向温度值缓冲区
ｃｌｒ ｐ１．３ ;选通ＡＤＴ７３０１
ｃｌｒ ｒｉ ?;清接收中断标志，准备接收
ｌｏｏｐ: ｊｎｂ ｒｉ,＄
ｍｏｖ ａ,ｓｂｕｆ
ｍｏｖ ＠ｒ０,ａ
ｉｎｃ ｒ０
ｃｌｒ ｒｉ
ｄｊｎｚ ｒ７,ｌｏｏｐ
ｓｅｔｂ ｐ１．３
ｒｅｔ
３．２ ＡＤＴ７３０１与单片机的全双工通讯接口
通过ＡＤＴ７３０１与单片机的全双工通讯接口可以使ＡＤＴ７３０１工作在节电模式。图４是ＡＤＴ７３０１与８０５１单片机进行全双工通讯接口连接图。相应的软件编程如下。
?＃＃＃全双工通讯子程序＃＃＃
ｓｅｔｂ ｐ１．３
ｍｏｖ ｒ０,＃３０ｈ ?;读温度值缓冲器?３０ｈ３１ｈ?
ｍｏｖ ｒ１,＃３２ｈ ?;控制寄存器写入值（３２ｈ３３ｈ）
ｍｏｖ ｒ６,＃０８ｈ ?;循环移位计数
ｍｏｖ ｒ７,＃０２ｈ ? ;字节计数
ｃｌｒ ｐ１．３ ? ;选通
ｌｏｏｐ０:
ｓｅｔｂ ｐ１．０ ?;控制ｐ１．０产生下降沿
ｃｌｒ ｐ１．０ ?;准备读取数据
ｍｏｖ ｃｙ,ｐ１．１ ?;读值
ｍｏｖ ａ,＠ｒ０ ?;将上次结果重装入
ｒｌｃ ａ ?;移位存储读取结果
ｍｏｖ ＠ｒ０,ａ ?;暂存
ｍｏｖ ａ,＠ｒ１ ?;将要写入值给累加器
ｒｌｃ ａ ?;移出要写入位
ｍｏｖ ｐ１．２,ｃｙ ?;循环写入
ｍｏｖ ＠ｒ１,ａ ?;暂存
ｄｊｎｚ ｒ７?ｌｏｏｐ０
ｉｎｃ ｒ０
ｉｎｃ ｒ１
ｄｊｎｚ ｒ７,ｌｏｏｐ０
ｃｌｒ ｐ１．３
ｒｅｔ
４ 结束语
ＡＤＴ７３０１可用于测量物体的表面温度或空气温度。由于该器件采用低功耗设计，因此，在利用热传导粘结剂将ＡＤＴ７３０１粘结到被测物体表面时，测得的温度与表面实际温度之差不超过０．１℃。另外，当被测物周围温度与被测物表面温度存在温度差时，应注意将器件的背面和管脚与周围空气隔离开。由于接地引脚提供了管芯最好的热传导途径，因此，管芯温度与印制电路板的地线温度最接近，所以应保证该管脚与被测表面良好接触。
该温度传感器不宜长期处于极限工作状态，当工作在＋１５０℃时，该器件的使用寿命是其工作在＋５５℃时的５％。当长期工作在电压和温度极限时，器件的结构完整性也将会遭到破坏。
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