TSic系列高精度溫度傳感器的應用

　　摘要：數字溫度傳感器因其低成本、易使用、無需校準等特點近年來得到廣泛應用，其中以DS18B20為代表。目前常用的數字溫度傳感器與傳統的鉑溫度傳感器相比，測量精度還不夠高。本文介紹的TSic系列的精度可達到±0．07℃，并且具有長期穩定性。
　　
　　引言
　　
　　TSic是IST（InnovativeSensorTechnology）公司單總線溫度傳感器IC的注冊商標。TSic產品系列由集成芯片和已校準的溫度傳感器組成，內部集成了用于模擬或數字信號輸出的信號轉換器。TSic系列的測量精度為±0．5～±0．07℃，是目前精度*的數字溫度傳感器IC，優于DINY（1／3DINB）鉑傳感器的精度。信號分辨率為0．1～0．004℃。TSic不僅有出色的精度，而且具有長期穩定性。IST公司還提供TSic的精度范嗣偏移定制校準服務。
　　
　　TSic系列有標準0～1V模擬電壓輸出、比例10％～90％V+電壓輸出和11位數字信號輸出3種方式，用戶可根據自己的需求選擇適用的型號。TSic的低功耗（典型值為30μA）使其非常適合移動應用。TSic還有無需校準、轉換速度快（100ms）和易使用等優點。
　　
　　1、計算公式和通信協議
　　
　　1．1TSic輸出信號的計算公式
　　
　　◆數字輸出：T=（Digital_signal／2047×（HT～LT）+LT）℃
　　
　　◆模擬輸出信號：T=（Sig[Volt]×（HT-LT）+LT）℃
　　
　　◆比例輸出信號：T=（（Sig[V]／VDD[V]-0．1）／0．8×（HT-LT）+LT）℃
　　
　　不同的型號有不同的LT和HT，例如精度±0．1℃的TSic50x，其LT=-10，HT=60。
　　
　　1．2用于TSic的ZACwire通信協議
　　
　　ZACwire是一種單線雙向通信協議。位編碼類似于時鐘信號嵌入數據信號中的曼徹斯特編碼（信號的下降沿以固定周期產生）。這樣協議對兩個IC之間通信時波特率的差異就很不敏感。
　　
　　在終端用戶應用中，TSic傳送溫度信息，另一個IC（通常是MCU）通過ZACwire讀溫度數據。
　　
　　TSic發送長度為1字節的數據包。這些包由1個起始位、8個數據位和一個奇偶校驗位組成。常用的波特率是8kbps（125μs位寬）。信號的常態是高電平。當傳輸開始，起始信號發生，緊接著是數據位（先高后低），包的結尾是偶校驗位。ZACwire數據包如圖1所示。　　
　　Tsic提供11位分辨率的溫度數據，11位數據不能在單個包中傳遞。一個來自TSic的完整溫度數據包由2個包組成。第1個包包含高3位溫度信息，第2個包包含低8位溫度信息。在第1個傳輸包的末端和第2個傳輸包的開始之間有一個寬度為二分之一信號位寬的高信號，即停止位。來自TSic的全ZACwire溫度數據包如圖2所示。　　
　　ZAcwire的位格式是占空比編碼。起始位：50％占空比，用于設置閘門時間。邏輯1：75％占空比。邏輯0：25％占空比。停止位：信號高電平，持續半位寬度時間。在包中的字節之間有一個半停止位時間。ZACwire位編碼時序如圖3所示。　　
　　2、硬件設計
　　
　　圖4是某個應用中與TSic相關部分的電路圖。　　
　　圖中溫度傳感器U2的圖標借用了晶體管的圖標，該設計兼容DS18B20和TSic，如果使用TSic則不接R2。引腳2是數據線，引腳3是傳感器的電源。
　　
　　傳感器的電源沒有直接接到VCC，原因如下：MCU可以用中斷方式或查詢方式讀TSic的數據。當連接ZACwire信號到MCU的引腳時，能夠在起始位的下降沿引發一個中斷，使MCU轉向中斷服務程序ISR。當使用查詢方式時，MCU必須發起讀溫度操作，這可以用MCU的一個引腳提供電源到TSic來實現。當MCU要讀溫度時，該引腳首先給TSic供電，大約65～85ms后它將收到一個溫度數據包。這種開關TSic的方法有額外的好處，就像掉電模式，可以將靜態電流從通常的45μA減小到0。
　　
　　TSic是一種混合信號IC，需要低噪聲供電。通過MCU的引腳供電易受MCU電源的數字噪聲的影響，因此要在MCU的供電引腳加一個RC濾波器，即圖4中的R1和C，C盡可能接近TSicV+和地。
　　
　　在裝配時要特別注意安裝工藝會影響精度。SOP-8封裝適用于PCB自動組裝，但是回流焊工藝會影響已校準的精度。為了用這種封裝實現高精度，IST公司提供組裝后的校準。在小批量應用中應選用TO92封裝，使用冷連接工藝安裝。TO92封裝還可以裝在不銹鋼探頭中。
　　
　　為TSic提供電源的MCU引腳要由一個強CMOS推挽驅動器來驅動，圖4中用P3．5為TSic供電。STC11L16XE是可以選擇端口工作模式的，可以將P3．5配置為強推挽輸出模式。經實驗ZACwire線用普通的8051端口就可以。
　　
　　3、軟件設計
　　
　　3．1怎樣讀包
　　
　　測量起始位下降沿和上升沿之間的時間，該時間（Tstrobe）就是選通時間，其寬度為位寬度（bitwindow）的一半。再等待一個Tstrobe的時間，即在下一個下降沿，開始采樣ZACwire信號。因為每個位都以一個下降沿開始，所以每個位的采樣窗口都會復位。這意味著從起始位開始的比特流將不會發生誤差。
　　
　　建議當捕獲起始位時，ZACwire信號的采樣率至少為正常波特率的16倍。因為正常波特率是8kHz，當捕獲Tstrobe時要求zui小128kHz的采樣速率。
　　
　　當起始位的下降沿產生時，它引發MCU進入一個計數循環，遞增一個內存位置，直到看見ZACwire信號的上升沿。該計數值就是Tstrobe。在獲得Tstrobe后，MCU就可以簡單地等待下面9個下降沿（8個用于數據，1個用于奇偶校驗）。在每個下降沿之后，MCU等待Tstrobe期滿，然后采樣下一個位。
　　
　　下面給出一個TSic506的應用例子，使用其他型號的傳感器時測量范圍和計算公式需要調整。
　　
　　3．28051C語言代碼
　　
　　代碼使用查詢方式讀TSic數據。代碼中對于選通時間并沒有進行測量，而是用延時函數估計。延時函數delay_10us是用邏輯分析儀對STC11L16XE標定的，使用其他MCU需要重新標定。　　
　　4、結語
　　
　　Tsic溫度傳感器與其他單總線溫度傳感器相比，具有精度高、測量范圍寬、同等分辨率下轉換速度快、操作簡單、支持模擬輸出等優點。Tsic與鉑傳感器相比，在校準范圍內精度可以更高。Tsic系列溫度傳感器IC具有*的性價比，在需要高精度測溫的場合具有良好的應用前景。