兼容SPI接口的低功耗数字温度传感器ADT7301及其接口技术
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增大字体摘要：ADT7301是ＡＤ公司推出的13位数字温度传感器芯片。该芯片采用＋2.7V～＋５.5V电源供电，具有温度转换精度高、功耗低、串行接口灵活方便等特点。文中介绍了ADT7301的主要特性，并以其与8052接口为例，给出了ADT7301的串行接口电路、应用程序。
关键词：温度传感器；SPI；ADT7301
１ 概述
ＡＤＴ７３０１是一个完整的温度监测系统，有ＳＯＴ－３２和ＭＳＯＰ两种封装形式。在芯片内部集成了一个用于温度监测的带隙温度传感器和一个１３位ＡＤ转换器，其最小温度分辨率为０．０３１２５°Ｃ。ＡＤＴ７３０１带有一个非常灵活的串行接口，可非常容易地与大多数微控制器接口；而且该接口还可与ＳＰＩＴＭ、ＱＳＰＩ及ＭＩＣＲＯＷＩＲＥＴＭ协议及ＤＳＰ接口兼容，通过串口控制可使器件处于待机模式。ＡＤＴ７３０１的宽供电电源范围、低供电电流及与ＳＰＩ兼容的接口使得该器件非常适合于个人计算机、办公设备及家电设备等各种领域。
ＡＤＴ７３０１功能特性如下：
●供电电源＋２．７Ｖ～＋５．５Ｖ；
●内含１３位数字温度传感器；
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
●测温精度为±０．５℃；
●具有０．０３１２５℃温度分辨率；
●工作电流典型值为１μＡ；
●带有ＳＰＩ及ＤＳＰ兼容的串行接口；
●工作温度范围宽达－４０～＋１５０℃；
●采用节省空间的ＳＯＴ－２３和ＭＳＯＰ封装。
２ 内部结构与管脚说明
２．１ 管脚描述
ＡＤＴ７３０１模块的内部结构如图１所示。该器件具有６脚ＳＯＴ－２３和８脚ＭＯＳＰ两种封装形式，各引脚的功能如下：
ＧＮＤ：模拟地和数字地；
ＤＩＮ：串行数据输入口。装入芯片控制寄存器的数据可在时钟ＳＣＬＫ上升沿通过该管脚串行输入；
ＶＤＤ：供电电源正输入端。 供电电源范围为：＋２．７Ｖ～＋５．５Ｖ；
ＳＣＬＫ：与串行端口对应的串行时钟输入；
ＣＳ：片选输入，低电平有效；
ＤＯＵＴ：串行数据输出端口。温度值在串行时钟ＳＣＬＫ的下降沿通过该管脚串行输出。
ＡＤＴ７３０１的串行接口由ＣＳ、ＳＣＬＫ、ＤＩＮ及ＤＯＵＴ四线构成。将ＣＳ和ＤＩＮ接地可使该接口工作于两线模式，在这种模式下，该接口只能通过ＤＯＵＴ来读取数据寄存器中的值。推荐使用ＣＳ端口，这样有利于ＡＤＴ７３０１与其主控器件之间同步。ＤＩＮ端口用于写控制寄存器，也可使芯片处于节电模式。使用时，在电源和地线之间应加一个０．１μＦ的去耦电容。
图2
２．２ 工作过程与应用时序
ＡＤＴ７３０１内部集成有晶体振荡器，所以工作时只需在串口接入时钟，而不需再提供Ａ／Ｄ转换时钟。该芯片具有两种工作模式，即正常工作模式和节电工作模式。在正常工作模式，内部时钟振荡器将驱动自动转换时序，从而使芯片每秒钟对模拟电路上电一次，以进行一次温度转换。完成一次温度转换一般需８００μｓ，转换结束后，芯片的模拟电路自动断电，并在１秒钟后自动上电。因此，在温度值寄存器中总可以得到最新的温度转换值。
通过设置ＡＤＴ７３０１控制寄存器可将其设置为节电模式。在节电模式下，片内振荡器被关闭，ＡＤＴ７３０１不进行温度转换，直到恢复到正常工作模式。可向控制寄存器中写零使其恢复到正常工作模式。在进入节电模式前其温度转换结果即使在进入节电模式后仍可被正确读取。
在正常转换模式下，执行读／写操作时，其内部振荡器可在读写操作结束后自动复位，以使温度转换器能够重新进行温度转换。若在ＡＤＴ７３０１进行温度转换过程中执行读写操作则会使其自动停止转换，并在串行通讯结束后又重新开始，而读取的温度值是前一次的转换结果。ＡＤＴ７３０１执行读／写操作时的时序如图２所示。
当片选端口ＣＳ为低时，ＳＣＬＫ时钟输入有效，而在执行读操作后，系统会将２位零标志位、１位符号位和１３位的数据位在１６个时钟脉冲下降沿从温度值寄存器中取出。如果ＣＳ持续为低的时间超过１６个ＳＣＬＫ时钟周期，ＡＤＴ７３０１将循环输出２位零标志位加１４位数值位。而一旦ＣＳ变为高电平，ＤＯＵＴ输出端将处于高阻状态此时输出数据将在ＳＣＬＫ的下降沿被锁存在ＤＯＵＴ线上。
ＡＤＴ７３０１的写操作与读操作可同步进行。当写数据流中的第三位写１而其余位为０时， ＡＤＴ７３０１进入节电模式；写数据流全为０时，为正常工作模式。在正常工作模式数据在第１６个ＳＣＬＫ的上升沿被装入控制寄存器并立刻起作用。若ＣＳ在第１６个ＳＣＬＫ上升沿之前变为高电平，那么，控制寄存器中的数据将不会被装入，但此时工作模式不变。
２．３ 温度值编码
温度值寄存器是一个１４位的只读寄存器，用于存储ＡＤＣ的１３位二进制补码加１位符号位的温度转换结果(最高位为符号位)。理论上，ＡＤＣ测量的温度范围可达２５５℃，实际上，内部温度传感器能确保的温度范围为－４０℃～ ＋１５０℃。温度数据格式如表１所列。
表1 温度寄存器数据格式
| 温度值（℃） | 数据输出DB13DB0 |
| -40 | 11，1011 0000 0000 |
| -30 | 11，1100 0100 0000 |
| -25 | 11，1100 1110 0000 |
| -10 | 11，1110 1100 0000 |
| -0.3125 | 11，1111 1111 1111 |
| 0 | 00，0000 0000 0000 |
| +0.3125 | 00，0000 0000 0001 |
| +10 | 00，0001 0100 0000 |
| +25 | 00，0011 0010 0000 |
| +50 | 00，0110 0100 0000 |
| +75 | 00，1001 0110 0000 |
| +100 | 00，1100 1000 0000 |
| +125 | 00，1111 1010 0000 |
| +150 | 01，0010 1100 0000 |
其温度转换公式如下：
正温度值＝ＡＤＣ转换结果代码（ｄ）／３２；
负温度值＝(ＡＤＣ转换结果代码（ｄ）－１６３８４)／３２（使用符号位）；
负温度值＝(ＡＤＣ转换结果代码（ｄ）－８１９２)／３２（不使用符号位）。
３ 应用电路
３．１ ＡＤＴ７３０１与单片机的串行接口电路
图３为ＡＤＴ７３０１与单片机的串行通讯接口电路，该接口方式具有转换速度快的优点，但不能被设置成节电工作模式。
这里应注意的是：由于在单片机串行通讯中是先低后高，而ＡＤＴ７３０１在向外串行输出温度值时是先高后低，所以要先进行高低位互换然后再进行处理，具体处理程序这里不再给出。下面是ＡＤＴ７３０１与８０５１单片机进行串行接口的软件编程：
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
；＊＊＊＊＊主程序＊＊＊＊＊
ｍａｉｎ:
ｃａｌｌ ｒｅｃｅｉｖｅ ;读取温度值子程序
ｃａｌｌ ｄｉｓｐｏｓｅ ;读取结果处理子程序
ｓｊｍｐ ＄
;＃＃＃串行通讯子程序＃＃＃
ｒｅｃｅｉｖｅ: ｓｅｔｂ ｐ１．３
ｍｏｖ ｓｃｏｎ,＃１１ｈ ;选择串行口为方式０接收
ｍｏｖ ｒ７,＃２ ;字节计数
ｍｏｖ ｒ０,＃３０ｈ ;指向温度值缓冲区
ｃｌｒ ｐ１．３ ;选通ＡＤＴ７３０１
ｃｌｒ ｒｉ ;清接收中断标志，准备接收
ｌｏｏｐ: ｊｎｂ ｒｉ,＄
ｍｏｖ ａ,ｓｂｕｆ
ｍｏｖ ＠ｒ０,ａ
ｉｎｃ ｒ０
ｃｌｒ ｒｉ
ｄｊｎｚ ｒ７,ｌｏｏｐ
ｓｅｔｂ ｐ１．３
ｒｅｔ
３．２ ＡＤＴ７３０１与单片机的全双工通讯接口
通过ＡＤＴ７３０１与单片机的全双工通讯接口可以使ＡＤＴ７３０１工作在节电模式。图４是ＡＤＴ７３０１与８０５１单片机进行全双工通讯接口连接图。相应的软件编程如下。
＃＃＃全双工通讯子程序＃＃＃
ｓｅｔｂ ｐ１．３
ｍｏｖ ｒ０,＃３０ｈ ;读温度值缓冲器３０ｈ３１ｈ
ｍｏｖ ｒ１,＃３２ｈ ;控制寄存器写入值（３２ｈ３３ｈ）
ｍｏｖ ｒ６,＃０８ｈ ;循环移位计数
ｍｏｖ ｒ７,＃０２ｈ ;字节计数
ｃｌｒ ｐ１．３ ;选通
ｌｏｏｐ０:
ｓｅｔｂ ｐ１．０ ;控制ｐ１．０产生下降沿
ｃｌｒ ｐ１．０ ;准备读取数据
ｍｏｖ ｃｙ,ｐ１．１ ;读值
ｍｏｖ ａ,＠ｒ０ ;将上次结果重装入
ｒｌｃ ａ ;移位存储读取结果
ｍｏｖ ＠ｒ０,ａ ;暂存
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
ｍｏｖ ａ,＠ｒ１ ;将要写入值给累加器
ｒｌｃ ａ ;移出要写入位
ｍｏｖ ｐ１．２,ｃｙ ;循环写入
ｍｏｖ ＠ｒ１,ａ ;暂存
ｄｊｎｚ ｒ７ｌｏｏｐ０
ｉｎｃ ｒ０
ｉｎｃ ｒ１
ｄｊｎｚ ｒ７,ｌｏｏｐ０
ｃｌｒ ｐ１．３
ｒｅｔ
４ 结束语
ＡＤＴ７３０１可用于测量物体的表面温度或空气温度。由于该器件采用低功耗设计，因此，在利用热传导粘结剂将ＡＤＴ７３０１粘结到被测物体表面时，测得的温度与表面实际温度之差不超过０．１℃。另外，当被测物周围温度与被测物表面温度存在温度差时，应注意将器件的背面和管脚与周围空气隔离开。由于接地引脚提供了管芯最好的热传导途径，因此，管芯温度与印制电路板的地线温度最接近，所以应保证该管脚与被测表面良好接触。
该温度传感器不宜长期处于极限工作状态，当工作在＋１５０℃时，该器件的使用寿命是其工作在＋５５℃时的５％。当长期工作在电压和温度极限时，器件的结构完整性也将会遭到破坏。
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作者：佚名
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