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温度问题为您解决(五)通过可扩展的温度传感器实现高效的冷链管理

2019-12-03
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在前几篇文章中,我们已经就温度传感器的基本原理进行了介绍。为了保持营养并确保质量和产品安全,制造商规定了包装和易腐商品(尤其是食品和药品)的运输和储存温度。但是经过当地杂货店到达消费者手上之前,水果、蔬菜和冷冻食品在运输期间和大型制冷设备货架上停留了大量时间,如下图所示。将这些商品保持在适当温度至关重要。


典型的杂货店过道


冷链管理将确保在包装和易腐商品的生命周期每个阶段都满足适当条件。冷链管理还要确保操作员在运输或储存期间发现可能发生偏离储存温度范围的情况时可以采取适当的措施。


冷链拓扑


带有测量仪表的温度传感器长期以来一直很受欢迎。然而,随着半导体技术的进步,而且大多数冷链管理发生在 -40°C 至 +10°C 的温度范围内,集成的温度传感器成为了冷链管理的最佳选择。


根据应用,可能有不同的拓扑。如下图所示,在点对点拓扑中,单个微控制器 (MCU) 连接到温度传感器,该传感器可以是模拟或数字输出传感器。在运输过程中管理货物托盘时,点对点拓扑非常有用。


点对点拓扑


在感测一组制冷容器(如冰箱)时,由于单个 MCU 的成本太高,无法在整个系统中多次实施。在此类情况下,最常见的拓扑是星形、共享总线或菊花链拓扑:


温度传感器菊花链


•星形拓扑可以在某一个分支出现故障时轻松实现故障隔离。星形拓扑可以同时使用模拟和数字输出温度传感器,但由于控制器外设数量较高且系统无法充分扩展,因此实施成本较高。


•在共享总线拓扑中,一个 MCU 充当多个传感器的主控制器。使用数字温度传感器即可轻松实现扩展。共享总线拓扑会共享线路,但仍然可以使用带内寻址(如 I2C 总线)或基于片选的带外信令(串行外设接口就是这种情况)进行单独寻址。然而,I2C 面临的问题可能是长链上的可靠电力输送和信号完整性。


•菊花链不需要带外信令,而是使用带内寻址方案。一个链的每一级充当下一个链的缓冲器,因此可以改善更长距离的信号完整性。


无论处于冷链管理的哪个监测阶段,电子系统都具有独特的优势,因为它们不仅可以记录托盘或制冷设备的温度,还可以提供阈值以便在超过特定阈值时发出警报。此类事件可通过声音或视觉警报(如蜂鸣器或闪烁的 LED 指示灯)的形式直观地传达给操作员,还可使用有线或无线 MCU 集成到云服务中,从而实现全天候监测和数据记录 。


器件建议


TMP107 数字输出温度传感器支持总共 32 个菊花链器件,可在需要高精度和系统范围扩展性的冷链管理应用中替代 NTC 热敏电阻。TMP107 在 -20°C 至 +70°C 温度范围内的最高精度规格为 ±0.4°C,在 -40°C 至 +100°C 范围内为 ±0.55°C,且温度分辨率为 0.015625°C。


凭借自动地址分配功能,TMP107 允许系统开发人员在编写软件时无需为每个传感器节点分配地址,因为系统会通过添加额外的传感器节点进行扩展。同时,通过使用推挽式通信输入/输出,系统可以更好地抵抗噪声,防止噪声影响长电缆上的温度值。这种弹性使得链中相邻器件之间跨度为 1,000 英尺的数据传输成为可能。


下图显示了 9,600bps 的通信接口的信号完整性。SMAART wire™ 数字接口使用通用异步接收器/发送器总线,这是几乎所有 MCU 上的标准外设,因此可以更轻松地开发软件。同时,菊花链实现方案更便于识别电缆断裂的位置,因此更容易维护和提高整体系统可靠性。


TMP107 的眼图


使用有源总线通信执行温度转换时,TMP107 的电流消耗通常为 300μA。在低功耗模式下的关断电流为 3.8μA。该器件具有 1.7V 至 5.5V 的宽工作电压范围,由于电流消耗很低,因此非常适合用于冷链管理运输阶段的电池供电型系统。提高波特率可实现实时更新,有助于储存冷冻食品。


此外,TMP107 将配置和温度限制存储在内部非易失性存储器中。因此,该器件可以在上电时自动配置,进而无需单独进行器件配置,并可提高系统运行速度。该器件还具有八个电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM) 位置,提供高达 128 位的 EEPROM 来存储用户信息或校准信息。


菊花链拓扑是实现高效冷链温度监测的最佳方式。TMP107 实现了精度、功耗和功能的完美结合,可支持基于电池的冷链管理系统。


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