低功耗微处理系统温度监视器

　　　　　　　　　天津大学精密仪器与光电子工程学院 汤海涛 李刚健

　　ADM1021温度测控芯片采用最新的测量技术避免了常规方法中的预先校准过程，且具有设定温度限定值方便、AD转换率可选等优点，作为低功耗的温度监视器表现出良好的性能，在台式电脑、笔记本式电脑等领域应用广泛，是理想的温度测量仪器。 概述 　　ADM1021芯片由两通道数字温度计和温度报警器组成，可用于个人计算机或其他需要温度监控和管理的系统。该器件使用二极管连接的PNP型三极管测量诸如PenitumⅡ或类似的微处理器的芯片温度，也可以使用低功耗的非连接NPN/PNP型器件（如2N3904/2N3906）测量温度。由于采用了一种新颖的测量技术，抵消了基极和发射极间的电压，避免了所需的校准过程。第二测量通道接收外部温度传感器的输出，用以监控器件及环境的温度,在台式电脑、笔记本式电脑、灵敏电池组、工业控制、遥控设备等方面应用广泛。 　　ADM1021芯片使用符合SMBus标准的双线串行接口进行连通，并可通过串行总线对温度极值的上下限进行设定。当片内或片外的温度越界时，引脚ALERT输出信号产生中断或SMBus报警。 图1：ADM1021芯片的各引脚功能如表1所列 ADM1021芯片的结构功能框图如图1所示。 引脚功能 ADM1021芯片的各引脚功能如表1所列。 工作原理 　　ADM1021芯片包含一个两通道AD转换器，它以片内/片外温度传感器工作结果为信号输入并加以转换。当ADM1021正常工作状态时，AD转换器工作在自由运行状态，模拟多路器选择片内或片外温度传感器的测量结果，经ADC数字化后，以二进制补码形式存储在片内和片外8位温度值寄存器中。 　　在测量结果与存储在芯片极值寄存器内的温度限定值比较后，如存在越界信号将使状态寄存器置位，并将引脚ALERT的输出信号拉低。 　　可借助串行管理总线对寄存器的值进行预置和修改，并可通过SMBus读回寄存器的值。其控制和修改的功能包括： 　　● 选择器件在正常工作模式或备用模式 　　● 屏蔽引脚ALERT的输出或使其有效 　　● 选择转换频率 1. 测量原理 　　测量温度的最简单的方法是利用恒电流下的二极管的负温度系数或三极管的基极-发射极电压计算得出的。然而，这需要考虑Vbe与零的相对值，通常这个参数是随器件的不同而变化的。 　　ADM1021测量Vbe在不同电流下的变化值，其公式如下： 　　△Vbe= KT/q×In(N) 　　其中：K是玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K） 　　q是电子电荷数（1.6×10-19库仑） 　　T是Kelvins温度 　　N是两电流的比值 图：2使用片外温度传感器的电路连接图 图2显示了使用片外温度传感器的电路连接图。图中用一个衬底三极管作为片外传感器，用以监控微处理器的温度（应注意的是如果使用的是分立式三极管，其集电极不应接地而是要连接在基极上）。为了避免测量中对地噪声的干扰，传感器的负端接三极管后再与地连接，这是利用二极管的内部偏压特性。电容C1可被视为噪声滤波器，其平均值可取2200PF-p.htm" target="_blank" title="2200PF货源和PDF资料">2200PF（但不要超过3000pF）。 　　为了测量ΔVbe可用一开关在I与N×I之间进行切换，其输出通过一个65kHz低通滤波器去除噪声。然后，经过削波漂移补偿放大器（chopper-stabilized amplifier）进行信号放大和波形整流，在经AD转换后以8位二进制补码形式输出。 片内温度传感器的信号处理过程与此相同。 2. 温度数据初始化 　　ADC的LSB（最低有效位，Least Significant Bit）与1℃相关，所以理论上ADC的测量范围是从-128℃到+127℃；但由于器件的最大转换率的限制，实际上其测量范围是从-65℃到+127℃。具体数据如表2所示。 3. 寄存器 　　ADM1021有9个寄存器，分别存储片内/片外温度测量的结果、片内/片外温度限定值的上限和下限以及器件的配置参数。表3给出了这些寄存器的具体说明。 　　ADM1021的寄存器有双重地址，其读地址和写地址不同，任何试图对读地址写操作或对写地址读操作都将导致非法错误。此外，寄存器中0Fh以上的地址保留用做出厂时测试使用或留待以后使用，不可以被写入。 4. 串行总线接口 　　ADM1021的控制是依靠串行总线完成的，ADM1021可以借此与从属部件器件相连，也可被主控器件控制。 5. 地址引脚 　　通常，每个SMBus器件有一个7位地址，当主控器件将地址通过总线送出后，从属器件会有所应答。ADM1021有两个地址引脚ADD0和ADD1可以选择使用，故几个ADM1021可以使用一条总线以避免其他器件的影响。由于地址引脚有接地、空接、与VDD相连三态可以选择，所以共有9种不同的可能地址。见表4所示。 6. 工作周期 　　串行总线上传输的数据以8位作为一个有效位，由7位地址位和1个R/W位组成。在SDATA为低后连续9个SCLK脉冲中执行一个写/读操作。在R/W为0时，主机向从属器件写入数据；在R/W为1时，主机从从属器件中读入数据。值得注意的是ADM1021的写地址和读地址不同，如果混淆两个地址会产生非法错误。 （1）写操作 　　ADM1021有两种写操作，一种是先向地址指针寄存器中写入准备写入的寄存器地址，在将数据写入这个选定的寄存器中。其时序图见图3所示。 另一种写操作是只向地址指针寄存器写入数据，其时序图见图4所示。 （2） 读操作 ADM1021的读操作与写操作类似，只是R/W为1，其时序图见图5所示。 应用设计 1. 应用电路 　　图6是ADM1021的典型应用电路，使用分立式三极管作传感器并使用双绞线屏蔽网与之相连，其中引脚SCLK、SDATA、ALERT在不使用时必须挂起。 　　引脚SCLK和SDATA可以通过接口直接与I/O控制器的SMBus相连，如图7的连接图所示。图中使用的I/O控制器是Intel PCI ISA IDE Xcelerator（PⅡX4）芯片8237 1AB。 2. 线路布局 　　D +、D-应相互靠近、平行布线，并需提供地线；在引脚VDD处连接0.1μF的旁路电容；在D+之后连接2200pF的输入滤波电容，这些都可以减少噪声对测量的影响。 图3：写操作1时序图 图4：写操作2时序图 图：5读操作时序图 由于ADM1021的片外传感器很敏感，所以在测量时应将可能的噪声减至最少。在测量中尽可能将ADM1021与片外传感器靠近，注意远离诸如时钟信号发生器、数据/地址总线之类的信号源，此时距离可保持在4到8英寸。 　　过长的导线其串联的阻值会引起测量温度的偏差，大约1Ω串联阻值产生0.5℃的温差错误。 整个器件中要减少铜焊接的头的数量，以避免热电偶的影响。