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兼容SPI接口的低功耗數(shù)字溫度傳感器ADT7301及其接口技術(shù)
摘要：ADT7301是ＡＤ公司推出的13位數(shù)字溫度傳感器芯片。該芯片采用＋2.7V～＋５.5V電源供電，具有溫度轉(zhuǎn)換精度高、功耗低、串行接口靈活方便等特點(diǎn)。文中介紹了ADT7301的主要特性，并以其與8052接口為例，給出了ADT7301的串行接口電路、應(yīng)用程序。關(guān)鍵詞：溫度傳感器；SPI；ADT7301
１概述
ＡＤＴ７３０１是一個(gè)完整的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有ＳＯＴ－３２和ＭＳＯＰ兩種封裝形式。在芯片內(nèi)部集成了一個(gè)用于溫度監(jiān)測(cè)的帶隙溫度傳感器和一個(gè)１３位ＡＤ轉(zhuǎn)換器，其最小溫度分辨率為０．０３１２５°Ｃ。ＡＤＴ７３０１帶有一個(gè)非常靈活的串行接口，可非常容易地與大多數(shù)微控制器接口；而且該接口還可與ＳＰＩＴＭ、ＱＳＰＩ及ＭＩＣＲＯＷＩＲＥＴＭ協(xié)議及ＤＳＰ接口兼容，通過串口控制可使器件處于待機(jī)模式。ＡＤＴ７３０１的寬供電電源范圍、低供電電流及與ＳＰＩ兼容的接口使得該器件非常適合于個(gè)人計(jì)算機(jī)、辦公設(shè)備及家電設(shè)備等各種領(lǐng)域。
ＡＤＴ７３０１功能特性如下：
●供電電源＋２．７Ｖ～＋５．５Ｖ；
●內(nèi)含１３位數(shù)字溫度傳感器；
●測(cè)溫精度為±０．５℃；
●具有０．０３１２５℃溫度分辨率；
●工作電流典型值為１μＡ；
●帶有ＳＰＩ及ＤＳＰ兼容的串行接口；
●工作溫度范圍寬達(dá)－４０～＋１５０℃；
●采用節(jié)省空間的ＳＯＴ－２３和ＭＳＯＰ封裝。
２內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管腳說明
２．１管腳描述
ＡＤＴ７３０１模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示。該器件具有６腳ＳＯＴ－２３和８腳ＭＯＳＰ兩種封裝形式，各引腳的功能如下：
ＧＮＤ：模擬地和數(shù)字地；
ＤＩＮ：串行數(shù)據(jù)輸入口。裝入芯片控制寄存器的數(shù)據(jù)可在時(shí)鐘ＳＣＬＫ上升沿通過該管腳串行輸入；
ＶＤＤ：供電電源正輸入端。供電電源范圍為：＋２．７Ｖ～＋５．５Ｖ；
ＳＣＬＫ：與串行端口對(duì)應(yīng)的串行時(shí)鐘輸入；
ＣＳ：片選輸入，低電平有效；
ＤＯＵＴ：串行數(shù)據(jù)輸出端口。溫度值在串行時(shí)鐘ＳＣＬＫ的下降沿通過該管腳串行輸出。
ＡＤＴ７３０１的串行接口由ＣＳ、ＳＣＬＫ、ＤＩＮ及ＤＯＵＴ四線構(gòu)成。將ＣＳ和ＤＩＮ接地可使該接口工作于兩線模式，在這種模式下，該接口只能通過ＤＯＵＴ來讀取數(shù)據(jù)寄存器中的值。推薦使用ＣＳ端口，這樣有利于ＡＤＴ７３０１與其主控器件之間同步。ＤＩＮ端口用于寫控制寄存器，也可使芯片處于節(jié)電模式。使用時(shí)，在電源和地線之間應(yīng)加一個(gè)０．１μＦ的去耦電容。
圖2
２．２工作過程與應(yīng)用時(shí)序
ＡＤＴ７３０１內(nèi)部集成有晶體振蕩器，所以工作時(shí)只需在串口接入時(shí)鐘，而不需再提供Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。該芯片具有兩種工作模式，即正常工作模式和節(jié)電工作模式。在正常工作模式，內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器將驅(qū)動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)序，從而使芯片每秒鐘對(duì)模擬電路上電一次，以進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換。完成一次溫度轉(zhuǎn)換一般需８００μｓ，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，芯片的模擬電路自動(dòng)斷電，并在１秒鐘后自動(dòng)上電。因此，在溫度值寄存器中總可以得到最新的溫度轉(zhuǎn)換值。
通過設(shè)置ＡＤＴ７３０１控制寄存器可將其設(shè)置為節(jié)電模式。在節(jié)電模式下，片內(nèi)振蕩器被關(guān)閉，ＡＤＴ７３０１不進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，直到恢復(fù)到正常工作模式。可向控制寄存器中寫零使其恢復(fù)到正常工作模式。在進(jìn)入節(jié)電模式前?其溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果即使在進(jìn)入節(jié)電模式后仍可被正確讀取。
在正常轉(zhuǎn)換模式下，執(zhí)行讀／寫操作時(shí)，其內(nèi)部振蕩器可在讀寫操作結(jié)束后自動(dòng)復(fù)位，以使溫度轉(zhuǎn)換器能夠重新進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。若在ＡＤＴ７３０１進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換過程中執(zhí)行讀寫操作?則會(huì)使其自動(dòng)停止轉(zhuǎn)換，并在串行通訊結(jié)束后又重新開始，而讀取的溫度值是前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。ＡＤＴ７３０１執(zhí)行讀／寫操作時(shí)的時(shí)序如圖２所示。
當(dāng)片選端口ＣＳ為低時(shí)，ＳＣＬＫ時(shí)鐘輸入有效，而在執(zhí)行讀操作后，系統(tǒng)會(huì)將２位零標(biāo)志位、１位符號(hào)位和１３位的數(shù)據(jù)位在１６個(gè)時(shí)鐘脈沖下降沿從溫度值寄存器中取出。如果ＣＳ持續(xù)為低的時(shí)間超過１６個(gè)ＳＣＬＫ時(shí)鐘周期，ＡＤＴ７３０１將循環(huán)輸出２位零標(biāo)志位加１４位數(shù)值位。而一旦ＣＳ變?yōu)楦唠娖剑模希眨暂敵龆藢⑻幱诟咦锠顟B(tài)?此時(shí)輸出數(shù)據(jù)將在ＳＣＬＫ的下降沿被鎖存在ＤＯＵＴ線上。
ＡＤＴ７３０１的寫操作與讀操作可同步進(jìn)行。當(dāng)寫數(shù)據(jù)流中的第三位寫１而其余位為０時(shí)，ＡＤＴ７３０１進(jìn)入節(jié)電模式；寫數(shù)據(jù)流全為０時(shí)，為正常工作模式。在正常工作模式?數(shù)據(jù)在第１６個(gè)ＳＣＬＫ的上升沿被裝入控制寄存器并立刻起作用。若ＣＳ在第１６個(gè)ＳＣＬＫ上升沿之前變?yōu)楦唠娖剑敲矗刂萍拇嫫髦械臄?shù)據(jù)將不會(huì)被裝入，但此時(shí)工作模式不變。
２．３溫度值編碼
溫度值寄存器是一個(gè)１４位的只讀寄存器，用于存儲(chǔ)ＡＤＣ的１３位二進(jìn)制補(bǔ)碼加１位符號(hào)位的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果(最高位為符號(hào)位)。理論上，ＡＤＣ測(cè)量的溫度范圍可達(dá)２５５℃，實(shí)際上，內(nèi)部溫度傳感器能確保的溫度范圍為－４０℃～＋１５０℃。溫度數(shù)據(jù)格式如表１所列。
表1溫度寄存器數(shù)據(jù)格式
溫度值（℃）數(shù)據(jù)輸出DB13DB0-4011，101100000000-3011，110001000000-2511，110011100000-1011，111011000000-0.312511，111111111111000，000000000000+0.312500，000000000001+1000，000101000000+2500，001100100000+5000，011001000000+7500，100101100000+10000，110010000000+12500，111110100000+15001，001011000000
其溫度轉(zhuǎn)換公式如下：
正溫度值＝ＡＤＣ轉(zhuǎn)換結(jié)果代碼（ｄ）／３２；
負(fù)溫度值＝(ＡＤＣ轉(zhuǎn)換結(jié)果代碼（ｄ）－１６３８４)／３２（使用符號(hào)位）；
負(fù)溫度值＝(ＡＤＣ轉(zhuǎn)換結(jié)果代碼（ｄ）－８１９２)／３２（不使用符號(hào)位）。
３應(yīng)用電路
３．１ＡＤＴ７３０１與單片機(jī)的串行接口電路
圖３為ＡＤＴ７３０１與單片機(jī)的串行通訊接口電路，該接口方式具有轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點(diǎn)，但不能被設(shè)置成節(jié)電工作模式。
這里應(yīng)注意的是：由于在單片機(jī)串行通訊中是先低后高，而ＡＤＴ７３０１在向外串行輸出溫度值時(shí)是先高后低，所以要先進(jìn)行高低位互換?然后再進(jìn)行處理，具體處理程序這里不再給出。下面是ＡＤＴ７３０１與８０５１單片機(jī)進(jìn)行串行接口的軟件編程：
；＊＊＊＊＊主程序＊＊＊＊＊
ｍａｉｎ:
ｃａｌｌｒｅｃｅｉｖｅ?;讀取溫度值子程序
ｃａｌｌｄｉｓｐｏｓｅ?;讀取結(jié)果處理子程序
ｓｊｍｐ＄
;＃＃＃串行通訊子程序＃＃＃
ｒｅｃｅｉｖｅ:ｓｅｔｂｐ１．３
ｍｏｖｓｃｏｎ,＃１１ｈ?;選擇串行口為方式０接收
ｍｏｖｒ７,＃２;字節(jié)計(jì)數(shù)
ｍｏｖｒ０,＃３０ｈ;指向溫度值緩沖區(qū)
ｃｌｒｐ１．３;選通ＡＤＴ７３０１
ｃｌｒｒｉ?;清接收中斷標(biāo)志，準(zhǔn)備接收
ｌｏｏｐ:ｊｎｂｒｉ,＄
ｍｏｖａ,ｓｂｕｆ
ｍｏｖ＠ｒ０,ａ
ｉｎｃｒ０
ｃｌｒｒｉ
ｄｊｎｚｒ７,ｌｏｏｐ
ｓｅｔｂｐ１．３
ｒｅｔ
３．２ＡＤＴ７３０１與單片機(jī)的全雙工通訊接口
通過ＡＤＴ７３０１與單片機(jī)的全雙工通訊接口可以使ＡＤＴ７３０１工作在節(jié)電模式。圖４是ＡＤＴ７３０１與８０５１單片機(jī)進(jìn)行全雙工通訊接口連接圖。相應(yīng)的軟件編程如下。
?＃＃＃全雙工通訊子程序＃＃＃
ｓｅｔｂｐ１．３
ｍｏｖｒ０,＃３０ｈ?;讀溫度值緩沖器?３０ｈ３１ｈ?
ｍｏｖｒ１,＃３２ｈ?;控制寄存器寫入值（３２ｈ３３ｈ）
ｍｏｖｒ６,＃０８ｈ?;循環(huán)移位計(jì)數(shù)
ｍｏｖｒ７,＃０２ｈ?;字節(jié)計(jì)數(shù)
ｃｌｒｐ１．３?;選通
ｌｏｏｐ０:
ｓｅｔｂｐ１．０?;控制ｐ１．０產(chǎn)生下降沿
ｃｌｒｐ１．０?;準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)
ｍｏｖｃｙ,ｐ１．１?;讀值
ｍｏｖａ,＠ｒ０?;將上次結(jié)果重裝入
ｒｌｃａ?;移位存儲(chǔ)讀取結(jié)果
ｍｏｖ＠ｒ０,ａ?;暫存
ｍｏｖａ,＠ｒ１?;將要寫入值給累加器
ｒｌｃａ?;移出要寫入位
ｍｏｖｐ１．２,ｃｙ?;循環(huán)寫入
ｍｏｖ＠ｒ１,ａ?;暫存
ｄｊｎｚｒ７?ｌｏｏｐ０
ｉｎｃｒ０
ｉｎｃｒ１
ｄｊｎｚｒ７,ｌｏｏｐ０
ｃｌｒｐ１．３
ｒｅｔ
４結(jié)束語
ＡＤＴ７３０１可用于測(cè)量物體的表面溫度或空氣溫度。由于該器件采用低功耗設(shè)計(jì)，因此，在利用熱傳導(dǎo)粘結(jié)劑將ＡＤＴ７３０１粘結(jié)到被測(cè)物體表面時(shí)，測(cè)得的溫度與表面實(shí)際溫度之差不超過０．１℃。另外，當(dāng)被測(cè)物周圍溫度與被測(cè)物表面溫度存在溫度差時(shí)，應(yīng)注意將器件的背面和管腳與周圍空氣隔離開。由于接地引腳提供了管芯最好的熱傳導(dǎo)途徑，因此，管芯溫度與印制電路板的地線溫度最接近，所以應(yīng)保證該管腳與被測(cè)表面良好接觸。
該溫度傳感器不宜長(zhǎng)期處于極限工作狀態(tài)，當(dāng)工作在＋１５０℃時(shí)，該器件的使用壽命是其工作在＋５５℃時(shí)的５％。當(dāng)長(zhǎng)期工作在電壓和溫度極限時(shí)，器件的結(jié)構(gòu)完整性也將會(huì)遭到破壞。
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