带I2C接口的数字温度传感器TMP101及其应用

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

Byte D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 OS/ALERT R1 R0 F1 F0 POL TM SD

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；

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。