中心議題：

• 數字溫度傳感器的優點及構成
• 各總線接口介紹及優缺點分析

解決方案：

• SPI總線的優缺點分析
• I2C總線的優缺點分析
• SMBus的優缺點分析

有(you)助(zhu)於(yu)獲(huo)得(de)精(jing)確(que)的(de)熱(re)管(guan)理(li)加(jia)上(shang)免(mian)校(xiao)準(zhun)特(te)性(xing)
，將(jiang)確(que)保(bao)數(shu)字(zi)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)繼(ji)續(xu)受(shou)到(dao)人(ren)們(men)的(de)歡(huan)迎(ying)。為(wei)滿(man)足(zu)需(xu)多(duo)個(ge)主(zhu)器(qi)件(jian)共(gong)存(cun)的(de)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)係(xi)統(tong)冗(rong)餘(yu)要(yao)求(qiu)
，以(yi)及(ji)對(dui)於(yu)要(yao)求(qiu)輕(qing)鬆(song)添(tian)加(jia)新(xin)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)
，I2C總線或SMBus將繼續保持其作為溫度傳感器係統接口主要選擇的地位。

熱敏電阻、熱電偶、模擬矽溫度傳感器和鎳/鉑電阻式溫度檢測器(RTD)，需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)以(yi)達(da)到(dao)所(suo)需(xu)的(de)溫(wen)度(du)精(jing)度(du)。作(zuo)為(wei)混(hun)合(he)信(xin)號(hao)器(qi)件(jian)的(de)數(shu)字(zi)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)則(ze)不(bu)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)，它(ta)們(men)具(ju)有(you)集(ji)成(cheng)數(shu)字(zi)邏(luo)輯(ji)，工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)為(wei)-55℃到50℃，采用絕對溫度比例(PTAT)電路，通過檢測二極管的基極-發射極電壓(VBE)的變化來測量本地/遠程溫度。它具有簡單的集成硬件來保存溫度值並對溫度設定點、器件工作模式、睡眠模式以及快/慢轉換速率進行編程設定。數據通過IC間總線(I2C總線)、係統管理總線(SMBus)或串行外圍接口(SPI)來通信。實際上
，每個器件在生產時均會進行調整，溫度檢測精度達到±0.5℃以內或者更高，性價比和可靠性均很高。這些優點使得數字溫度傳感器在幾乎任何可以想象到的應用中都受到歡迎，包括PC、通信設備、手持設備和工業控製設備等。

具體來說
，數字溫度傳感器的主要構成包括一個雙電流源、一個Δ-Σ A/D轉換器、數字邏輯和一個通向數字器件(如與一個微處理器或微控製器連接)的串行接口(如I2C總線、SMBus或SPI)。數字溫度傳感器有兩種：本地或遠程溫度傳感器，它們均采用某種方法強製兩個成比例的電流通過一個連接成二極管形式的NPN或PNP晶體管，均用於測量所導致的VBE變化，使用Δ-ΣA/D轉換器對電壓采樣並將數值轉換成數字格式。強製電流一般采用約10:1的比例。通過強製施加比例電流和測量兩個VBE的差值，可消除二極管上IS這一與工藝相關參數的一階效應。

每個溫度傳感器在生產過程中均會進行調整，以便與要使用的二極管的理想參數匹配。遠程二極管的特性取自2N3904/6。由於本地溫度傳感器在矽襯底上隻是一個簡單的NPN或PNP結(jie)構(gou)，遠(yuan)程(cheng)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)幾(ji)乎(hu)總(zong)是(shi)集(ji)成(cheng)一(yi)個(ge)本(ben)地(di)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)。因(yin)此(ci)，遠(yuan)程(cheng)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)作(zuo)用(yong)幾(ji)乎(hu)總(zong)是(shi)像(xiang)兩(liang)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)樣(yang)。本(ben)地(di)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)同(tong)一(yi)封(feng)裝(zhuang)集(ji)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)熱(re)二(er)極(ji)管(guan)。對(dui)於(yu)本(ben)地(di)傳(chuan)感(gan)器(qi)，根(gen)據(ju)封(feng)裝(zhuang)和(he)位(wei)於(yu)IC襯底上的本地二極管，熱時間常數(即達到最終溫度的63.2%所需的時間)為幾分鍾。總線負載過重或轉換過快會造成器件自加熱並影響溫度精度。

溫度數據變為可用所需的時間稱為轉換速率。該速率由器件內部振蕩器和A/D分辨率決定，一般低於100Hz或長於10ms。轉換速率越快
，溫度數據可檢索的速度就越快，同時溫度傳感器消耗的功率也就越大。由於存在自加熱效應，轉換速率通常較低。圖1顯示了一個遠程溫度傳感器和/或本地溫度傳感器的簡化框圖。

圖1：數字溫度傳感器簡化框圖。

最zui流liu行xing的de數shu字zi溫wen度du傳chuan感gan器qi是shi那na些xie帶dai有you串chuan行xing總zong線xian接jie口kou的de傳chuan感gan器qi。溫wen度du傳chuan感gan器qi總zong線xian的de選xuan擇ze很hen大da程cheng度du上shang取qu決jue於yu所suo選xuan微wei處chu理li器qi或huo控kong製zhi器qi上shang有you哪na些xie可ke用yong的de接jie口kou。控kong製zhi器qi的de選xuan擇ze取qu決jue於yu工gong程cheng師shi對dui其qi擁yong有you的de經jing驗yan多duo少shao。對dui於yu需xu要yao經jing常chang進jin行xing數shu據ju流liu傳chuan輸shu的de係xi統tong數shu據ju，SPI是(shi)首(shou)選(xuan)，因(yin)為(wei)它(ta)擁(yong)有(you)較(jiao)快(kuai)的(de)時(shi)鍾(zhong)速(su)率(lv)，速(su)率(lv)可(ke)從(cong)幾(ji)兆(zhao)赫(he)茲(zi)到(dao)幾(ji)十(shi)兆(zhao)赫(he)茲(zi)。然(ran)而(er)，對(dui)於(yu)係(xi)統(tong)管(guan)理(li)活(huo)動(dong)
，如(ru)讀(du)取(qu)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)讀(du)數(shu)和(he)查(zha)詢(xun)多(duo)個(ge)從(cong)器(qi)件(jian)的(de)狀(zhuang)態(tai)，或(huo)者(zhe)需(xu)要(yao)多(duo)個(ge)主(zhu)器(qi)件(jian)共(gong)存(cun)於(yu)同(tong)一(yi)係(xi)統(tong)總(zong)線(xian)上(shang)(係統冗餘常會要求這一點)，或者麵向低功耗應用，這時I2C 或 SMBus將是首選接口。下麵幾部分將介紹每種串行總線及其優缺點。

1. SPI

SPI 是一種四線製串行總線接口
，為主/從結構

，四條導線分別為串行時鍾(SCLK)、主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)和從選(SS)信(xin)號(hao)。主(zhu)器(qi)件(jian)為(wei)時(shi)鍾(zhong)提(ti)供(gong)者(zhe)

，可(ke)發(fa)起(qi)讀(du)從(cong)器(qi)件(jian)或(huo)寫(xie)從(cong)器(qi)件(jian)操(cao)作(zuo)。這(zhe)時(shi)主(zhu)器(qi)件(jian)將(jiang)與(yu)一(yi)個(ge)從(cong)器(qi)件(jian)進(jin)行(xing)對(dui)話(hua)。當(dang)總(zong)線(xian)上(shang)存(cun)在(zai)多(duo)個(ge)從(cong)器(qi)件(jian)時(shi)，要(yao)發(fa)起(qi)一(yi)次(ci)傳(chuan)輸(shu)
，主(zhu)器(qi)件(jian)將(jiang)把(ba)該(gai)從(cong)器(qi)件(jian)選(xuan)擇(ze)線(xian)拉(la)低(di)，然(ran)後(hou)分(fen)別(bie)通(tong)過(guo) MOSI 和 MISO 線啟動數據發送或接收。

SPI 時鍾速度很快，範圍可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲，且沒有係統開銷。SPI 在zai係xi統tong管guan理li方fang麵mian的de缺que點dian是shi缺que乏fa流liu控kong機ji製zhi
，無wu論lun主zhu器qi件jian還hai是shi從cong器qi件jian均jun不bu對dui消xiao息xi進jin行xing確que認ren，主zhu器qi件jian無wu法fa知zhi道dao從cong器qi件jian是shi否fou繁fan忙mang。因yin此ci，必bi須xu設she計ji聰cong明ming的de軟ruan件jian機ji製zhi來lai處chu理li確que認ren問wen題ti。同tong時shi

，SPI 也ye沒mei有you多duo主zhu器qi件jian協xie議yi，必bi須xu采cai用yong很hen複fu雜za的de軟ruan件jian和he外wai部bu邏luo輯ji來lai實shi現xian多duo主zhu器qi件jian架jia構gou。每mei個ge從cong器qi件jian需xu要yao一yi個ge單dan獨du的de從cong選xuan擇ze信xin號hao。總zong信xin號hao數shu最zui終zhong為wei n+3 個，其中 n 是總線上從器件的數量。因此，導線的數量將隨增加的從器件的數量按比例增長。同樣
，在 SPI 總線上添加新的從器件也不方便。對於額外添加的每個從器件，都需要一條新的從器件選擇線或解碼邏輯。圖2 顯示了典型的 SPI 讀/寫周期。在地址或命令字節後麵跟有一個讀/寫位。數據通過 MOSI 信號寫入從器件，通過 MISO信號自從器件中讀出。圖3顯示了 I2C總線/SMBus以及SPI的係統框圖。

圖2：SPI 典型讀/寫周期。

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圖3：(a)I2C總線/SMBus係統接口；(b)SPI 係統接口。

2. I2C總線

I2C 是一種二線製串行總線接口
，工作在主/從模式。二線通信信號分別為開漏 SCL 和 SDA 串行時鍾和串行數據。主器件為時鍾源。數據傳輸是雙向的
，其方向取決於讀/寫位的狀態。每個從器件擁有一個唯一的 7 或 10 位地址。主器件通過一個起始位發起一次傳輸
，通過一個停止位終止一次傳輸。起始位之後為唯一的從器件地址，再後為讀/寫位。

I2C總線速度為從0Hz到3.4MHz。它沒有SPI 那樣快，但對於係統管理器件如溫度傳感器來說則非常理想。I2C 存在係統開銷，這些開銷包括起始位/停止位、確(que)認(ren)位(wei)和(he)從(cong)地(di)址(zhi)位(wei)，但(dan)它(ta)因(yin)此(ci)擁(yong)有(you)流(liu)控(kong)機(ji)製(zhi)。主(zhu)器(qi)件(jian)在(zai)完(wan)成(cheng)接(jie)收(shou)來(lai)自(zi)從(cong)器(qi)件(jian)的(de)數(shu)據(ju)時(shi)總(zong)是(shi)發(fa)送(song)一(yi)個(ge)確(que)認(ren)位(wei)，除(chu)非(fei)其(qi)準(zhun)備(bei)終(zhong)止(zhi)傳(chuan)輸(shu)。從(cong)器(qi)件(jian)在(zai)其(qi)接(jie)收(shou)到(dao)來(lai)自(zi)主(zhu)器(qi)件(jian)的(de)命(ming)令(ling)或(huo)數(shu)據(ju)時(shi)總(zong)是(shi)發(fa)送(song)一(yi)個(ge)確(que)認(ren)位(wei)。當(dang)從(cong)器(qi)件(jian)未(wei)準(zhun)備(bei)好(hao)時(shi)，它(ta)可(ke)以(yi)保(bao)持(chi)或(huo)延(yan)展(zhan)時(shi)鍾(zhong)，直(zhi)到(dao)其(qi)再(zai)次(ci)準(zhun)備(bei)好(hao)響(xiang)應(ying)。

I2C允yun許xu多duo個ge主zhu器qi件jian工gong作zuo在zai同tong一yi總zong線xian上shang。多duo個ge主zhu器qi件jian可ke以yi輕qing鬆song同tong步bu其qi時shi鍾zhong，因yin此ci所suo有you主zhu器qi件jian均jun采cai用yong同tong一yi時shi鍾zhong進jin行xing傳chuan輸shu。多duo個ge主zhu器qi件jian可ke以yi通tong過guo數shu據ju仲zhong裁cai檢jian測ce哪na一yi個ge主zhu器qi件jian正zheng在zai使shi用yong總zong線xian，從cong而er避bi免mian數shu據ju破po壞huai。由you於yu I2C總線隻有兩條導線，因此新從器件隻需接入總線即可，而無需附加邏輯。圖4 顯示了典型的 I2C總線讀/寫操作。

圖4：I2C總線/SMBus的典型讀/寫操作。

3. SMBus

SMBus是一種二線製串行總線，1996年第一版規範開始商用。它大部分基於I2C總線規範。和 I2C一樣
，SMBus不需增加額外引腳，創建該總線主要是為了增加新的功能特性
，但隻工作在100kHz且專門麵向智能電池管理應用。它工作在主/從模式：主器件提供時鍾，在其發起一次傳輸時提供一個起始位，在其終止一次傳輸時提供一個停止位；從器件擁有一個唯一的7或10位從器件地址。

SMBus與I2C總線之間在時序特性上存在一些差別。首先，SMBus需要一定數據保持時間
，而 I2C總線則是從內部延長數據保持時間。SMBus具有超時功能，因此當SCL太低而超過35 ms時，從器件將複位正在進行的通信。相反，I2C采用硬件複位。SMBus具有一種警報響應地址(ARA)
，因此當從器件產生一個中斷時
，它不會馬上清除中斷，而是一直保持到其收到一個由主器件發送的含有其地址的ARA為止。SMBus隻工作在從10kHz到最高100kHz。最低工作頻率10kHz是由SMBus超時功能決定的。