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一氧化碳分析儀
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智能溫度傳感器向高智能化技術方向迅速發(fā)展
點擊量:558發(fā)布時間:2014/10/27 20:32:56

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智能溫度傳感器向高智能化技術方向迅速發(fā)展

現(xiàn)代信息技術的三大基礎是信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和信息處理(計算機技術)。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品,尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農業(yè)生產、科學研究和生活等領域,數(shù)量高居各種傳感器之首。
進入21世紀后,智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。
1提高測溫精度和分辨力
     在20世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器,采用的是8位A/D轉換器,其測溫精度較低,分辨力只能達到1℃。目前,國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器,所用的是9~12位A/D轉換器,分辨力一般可達0.5~0.0625℃。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器,能輸出13位二進制數(shù)據(jù),其分辨力高達0.03125℃,測溫精度為±0.2℃。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例,它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時間分別僅為27μs、9μs。
2增加測試功能
     新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如,DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(RTC),使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能,利用芯片內部256字節(jié)的E2PROM存儲器,可存儲用戶的短信息。另外,智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展,這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。
智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇,主要包括單次轉換模式、連續(xù)轉換模式、待機模式,有的還增加了低溫極限擴展模式,操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言,主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A/D轉換速率(典型產品為MAX6654),分辨力及最大轉換時間(典型產品為DS1624)。
智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎上發(fā)展而成的。典型產品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能溫度控制器適配各種微控制器,構成智能化溫控系統(tǒng);它們還可以脫離微控制器單獨工作,自行構成一個溫控儀。
3總線技術的標準化與規(guī)范化
目前,智能溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化,所采用的總線主要有單線(-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。
4可靠性及安全性設計
傳統(tǒng)的A/D轉換器大多采用積分式或逐次比較式轉換技術,其噪聲容限低,抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差。新型智能溫度傳感器(例如TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的Σ-Δ式A/D轉換器,它能以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力將模擬信號轉換成數(shù)字信號,再利用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術,來提高有效分辨力。Σ-Δ式A/D轉換器不僅能濾除量化噪聲,而且對外圍元件的精度要求低。為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時產生誤動作,在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內部,都設置了一個可編程的“故障排隊(fAultqueue)”計數(shù)器,專用于設定允許被測溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達到或超過所設定的次數(shù)n(n=1~4)時,才能觸發(fā)中斷端。若故障次數(shù)不滿足上述條件或故障不是連續(xù)發(fā)生的,故障計數(shù)器就復位而不會觸發(fā)中斷端。這意味著假定n=3時,那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾,都不會影響溫控系統(tǒng)的正常工作。
LM76型智能溫度傳感器增加了溫度窗口比較器,非常適合設計一個符合ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce,即“先進配置與電源 接口”)規(guī)范的溫控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護功能,可用來監(jiān)控筆記本電腦和服務器中CPU及主電路的溫度。微處理器最高可承受的工作溫度規(guī)定為tH,臺式計算機一般為75℃,高檔筆記本電腦的專用CPU可達100℃。一旦CPU或主電路的溫度超出所設定的上、下限時, INT端立即使主機產生中斷,再通過電源控制器發(fā)出信號,迅速將主電源關斷起到保護作用。此外,當溫度超過CPU的極限溫度時,嚴重超溫報警輸出端(T_CRIT_A)也能直接關斷主電源,并且該端還可通過獨立的硬件關斷電路來切斷主電源,以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護措施已成為國際上設計溫控系統(tǒng)的新觀念。
為防止因人體靜電放電(ESD)而損壞芯片。一些智能溫度傳感器還增加了ESD保護電路,一般可承受1000~4000V的靜電放電電壓。通常是將人體等效于由100PF電容和1.2K歐姆電阻串聯(lián)而成的電路模型,當人體放電時,TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號輸出端和地址輸入端均可承受1000V的靜電放電電壓。LM83型智能溫度傳感器則可承受4000V的靜電放電電壓。
最新開發(fā)的智能溫度傳感器(例如MAX6654、LM83)還增加了傳感器故障檢測功能,能自動檢測外部晶體管溫度傳感器(亦稱遠程傳感器)的開路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion,英文縮寫為prc)模式,能抵消遠程傳感器引線阻抗所引起的測溫誤差,即使引線阻抗達到100歐姆,也不會影響測量精度。遠程傳感器引線可采用普通雙絞線或者帶屏蔽層的雙絞線。
5虛擬溫度傳感器和網絡溫度傳感器
(1)虛擬傳感器
虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準,以實現(xiàn)最佳性能指標。最近,美國B&K公司已開發(fā)出一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器,其主要特點是每只傳感器都有唯一的產品序列號并且附帶一張軟盤,軟盤上存儲著對該傳感器進行標定的有關數(shù)據(jù)。使用時,傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計算機,首先從計算機輸入該傳感器的產品序列號,再從軟盤上讀出有關數(shù)據(jù),然后自動完成對傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設置和記錄工作。
(2)網絡溫度傳感器
網絡溫度傳感器是包含數(shù)字傳感器、網絡接口和處理單元的新一代智能傳感器。數(shù)字傳感器首先將被測溫度轉換成數(shù)字量,再送給微控制器作數(shù)據(jù)處理。最后將測量結果傳輸給網絡,以便實現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享,在更換傳感器時無須進行標定和校準,可做到“即插即用(Plug&PlAy)”,這樣就極大地方便了用戶,F(xiàn)代信息技術的三大基礎是信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和信息處理(計算機技術)。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品,尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農業(yè)生產、科學研究和生活等領域,數(shù)量高居各種傳感器之首。 

進入21世紀后,智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。
1提高測溫精度和分辨力
     在20世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器,采用的是8位A/D轉換器,其測溫精度較低,分辨力只能達到1℃。目前,國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器,所用的是9~12位A/D轉換器,分辨力一般可達0.5~0.0625℃。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器,能輸出13位二進制數(shù)據(jù),其分辨力高達0.03125℃,測溫精度為±0.2℃。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例,它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時間分別僅為27μs、9μs。
2增加測試功能
     新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如,DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(RTC),使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能,利用芯片內部256字節(jié)的E2PROM存儲器,可存儲用戶的短信息。另外,智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展,這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。
智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇,主要包括單次轉換模式、連續(xù)轉換模式、待機模式,有的還增加了低溫極限擴展模式,操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言,主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A/D轉換速率(典型產品為MAX6654),分辨力及最大轉換時間(典型產品為DS1624)。
智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎上發(fā)展而成的。典型產品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能溫度控制器適配各種微控制器,構成智能化溫控系統(tǒng);它們還可以脫離微控制器單獨工作,自行構成一個溫控儀。
3總線技術的標準化與規(guī)范化
目前,智能溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化,所采用的總線主要有單線(-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。
4可靠性及安全性設計
傳統(tǒng)的A/D轉換器大多采用積分式或逐次比較式轉換技術,其噪聲容限低,抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差。新型智能溫度傳感器(例如TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的Σ-Δ式A/D轉換器,它能以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力將模擬信號轉換成數(shù)字信號,再利用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術,來提高有效分辨力。Σ-Δ式A/D轉換器不僅能濾除量化噪聲,而且對外圍元件的精度要求低。為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時產生誤動作,在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內部,都設置了一個可編程的“故障排隊(fAultqueue)”計數(shù)器,專用于設定允許被測溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達到或超過所設定的次數(shù)n(n=1~4)時,才能觸發(fā)中斷端。若故障次數(shù)不滿足上述條件或故障不是連續(xù)發(fā)生的,故障計數(shù)器就復位而不會觸發(fā)中斷端。這意味著假定n=3時,那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾,都不會影響溫控系統(tǒng)的正常工作。
LM76型智能溫度傳感器增加了溫度窗口比較器,非常適合設計一個符合ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce,即“先進配置與電源 接口”)規(guī)范的溫控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護功能,可用來監(jiān)控筆記本電腦和服務器中CPU及主電路的溫度。微處理器最高可承受的工作溫度規(guī)定為tH,臺式計算機一般為75℃,高檔筆記本電腦的專用CPU可達100℃。一旦CPU或主電路的溫度超出所設定的上、下限時, INT端立即使主機產生中斷,再通過電源控制器發(fā)出信號,迅速將主電源關斷起到保護作用。此外,當溫度超過CPU的極限溫度時,嚴重超溫報警輸出端(T_CRIT_A)也能直接關斷主電源,并且該端還可通過獨立的硬件關斷電路來切斷主電源,以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護措施已成為國際上設計溫控系統(tǒng)的新觀念。
為防止因人體靜電放電(ESD)而損壞芯片。一些智能溫度傳感器還增加了ESD保護電路,一般可承受1000~4000V的靜電放電電壓。通常是將人體等效于由100PF電容和1.2K歐姆電阻串聯(lián)而成的電路模型,當人體放電時,TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號輸出端和地址輸入端均可承受1000V的靜電放電電壓。LM83型智能溫度傳感器則可承受4000V的靜電放電電壓。
最新開發(fā)的智能溫度傳感器(例如MAX6654、LM83)還增加了傳感器故障檢測功能,能自動檢測外部晶體管溫度傳感器(亦稱遠程傳感器)的開路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion,英文縮寫為prc)模式,能抵消遠程傳感器引線阻抗所引起的測溫誤差,即使引線阻抗達到100歐姆,也不會影響測量精度。遠程傳感器引線可采用普通雙絞線或者帶屏蔽層的雙絞線。
5虛擬溫度傳感器和網絡溫度傳感器
(1)虛擬傳感器
虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準,以實現(xiàn)最佳性能指標。最近,美國B&K公司已開發(fā)出一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器,其主要特點是每只傳感器都有唯一的產品序列號并且附帶一張軟盤,軟盤上存儲著對該傳感器進行標定的有關數(shù)據(jù)。使用時,傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計算機,首先從計算機輸入該傳感器的產品序列號,再從軟盤上讀出有關數(shù)據(jù),然后自動完成對傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設置和記錄工作。
(2)網絡溫度傳感器
網絡溫度傳感器是包含數(shù)字傳感器、網絡接口和處理單元的新一代智能傳感器。數(shù)字傳感器首先將被測溫度轉換成數(shù)字量,再送給微控制器作數(shù)據(jù)處理。最后將測量結果傳輸給網絡,以便實現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享,在更換傳感器時無須進行標定和校準,可做到“即插即用(Plug&PlAy)”,這樣就極大地方便了用戶。


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