TSic系列高精度温度传感器的应用

摘要：数字温度传感器因其低成本、易使用、无需校准等特点近年来得到广泛应用，其中以DS18B20为代表。目前常用的数字温度传感器与传统的铂温度传感器相比，测量精度还不够高。本文介绍的TSic系列的精度可达到±0．07℃，并且具有长期稳定性。
关键词：高精度数字温度传感器；单片机；TSic；DS18B20

引言
    TSic是IST(Innovative Sensor Technology)公司单总线温度传感器IC的注册商标。TSic产品系列由集成芯片和已校准的温度传感器组成，内部集成了用于模拟或数字信号输出的信号转换器。TSic系列的测量精度为±0．5～±0．07℃，是目前精度极高的数字温度传感器IC，优于DIN Y(1／3 DIN B)铂传感器的精度。信号分辨率为0．1～0．004℃。TSic不仅有出色的精度，而且具有长期稳定性。IST公司还提供TSic的精度范嗣偏移定制校准服务。
    TSic系列有标准0～1 V模拟电压输出、比例10％～90％V+电压输出和11位数字信号输出3种方式，用户可根据自己的需求选择适用的型号。TSic的低功耗(典型值为30μA)使其非常适合移动应用。TSic还有无需校准、转换速度快(100 ms)和易使用等优点。

1 计算公式和通信协议
1．1 TSic输出信号的计算公式
    ◆数字输出：T=(Digital_signal／2047×(HT～LT)+LT)℃
    ◆模拟输出信号：T=(Sig[Volt]×(HT-LT)+LT)℃
    ◆比例输出信号：T=((Sig[V]／VDD[V]-0．1)／0．8×(HT-LT)+LT)℃
    不同的型号有不同的LT和HT，例如精度±0．1℃的TSic 50x，其LT=-10，HT=60。
1．2 用于TSic的ZACwire通信协议
    ZACwire是一种单线双向通信协议。位编码类似于时钟信号嵌入数据信号中的曼彻斯特编码(信号的下降沿以固定周期产生)。这样协议对两个IC之间通信时波特率的差异就很不敏感。
    在终端用户应用中，TSic传送温度信息，另一个IC(通常是MCU)通过ZACwire读温度数据。
    TSic发送长度为1字节的数据包。这些包由1个起始位、8个数据位和一个奇偶校验位组成。常用的波特率是8 kbps(125μs位宽)。信号的常态是高电平。当传输开始，起始信号发生，紧接着是数据位(先高后低)，包的结尾是偶校验位。ZACwire数据包如图1所示。

    Tsic提供11位分辨率的温度数据，11位数据不能在单个包中传递。一个来自TSic的完整温度数据包由2个包组成。第1个包包含高3位温度信息，第2个包包含低8位温度信息。在第1个传输包的末端和第2个传输包的开始之间有一个宽度为二分之一信号位宽的高信号，即停止位。来自TSic的全ZACwire温度数据包如图2所示。

    ZAcwire的位格式是占空比编码。起始位：50％占空比，用于设置闸门时间。逻辑1：75％占空比。逻辑0：25％占空比。停止位：信号高电平，持续半位宽度时间。在包中的字节之间有一个半停止位时间。ZACwire位编码时序如图3所示。

2 硬件设计
    图4是某个应用中与TSic相关部分的电路图。

    图中温度传感器U2的图标借用了晶体管的图标，该设计兼容DS18B20和TSic，如果使用TSic则不接R2。引脚2是数据线，引脚3是传感器的电源。
    传感器的电源没有直接接到VCC，原因如下：MCU可以用中断方式或查询方式读TSic的数据。当连接ZACwire信号到MCU的引脚时，能够在起始位的下降沿引发一个中断，使MCU转向中断服务程序ISR。当使用查询方式时，MCU必须发起读温度操作，这可以用MCU的一个引脚提供电源到TSic来实现。当MCU要读温度时，该引脚首先给TSic供电，大约65～85 ms后它将收到一个温度数据包。这种开关TSic的方法有额外的好处，就像掉电模式，可以将静态电流从通常的45μA减小到0。
    TSic是一种混合信号IC，需要低噪声供电。通过MCU的引脚供电易受MCU电源的数字噪声的影响，因此要在MCU的供电引脚加一个RC滤波器，即图4中的R1和C，C尽可能接近TSic V+和地。
    在装配时要特别注意安装工艺会影响精度。SOP-8封装适用于PCB自动组装，但是回流焊工艺会影响已校准的精度。为了用这种封装实现高精度，IST公司提供组装后的校准。在小批量应用中应选用TO92封装，使用冷连接工艺安装。TO92封装还可以装在不锈钢探头中。
    为TSic提供电源的MCU引脚要由一个强CMOS推挽驱动器来驱动，图4中用P3．5为TSic供电。STC11L16XE是可以选择端口工作模式的，可以将P3．5配置为强推挽输出模式。经实验ZACwire线用普通的8051端口就可以。

3 软件设计
3．1 怎样读包
    测量起始位下降沿和上升沿之间的时间，该时间(Tstrobe)就是选通时间，其宽度为位宽度(bit window)的一半。再等待一个Tstrobe的时间，即在下一个下降沿，开始采样ZACwire信号。因为每个位都以一个下降沿开始，所以每个位的采样窗口都会复位。这意味着从起始位开始的比特流将不会发生误差。
    建议当捕获起始位时，ZACwire信号的采样率至少为正常波特率的16倍。因为正常波特率是8 kHz，当捕获Tstrobe时要求最小128 kHz的采样速率。
    当起始位的下降沿产生时，它引发MCU进入一个计数循环，递增一个内存位置，直到看见ZACwire信号的上升沿。该计数值就是Tstrobe。在获得Tstrobe后，MCU就可以简单地等待下面9个下降沿(8个用于数据，1个用于奇偶校验)。在每个下降沿之后，MCU等待Tstrobe期满，然后采样下一个位。
    下面给出一个TSic 506的应用例子，使用其他型号的传感器时测量范围和计算公式需要调整。
3．2 8051 C语言代码
    代码使用查询方式读TSic数据。代码中对于选通时间并没有进行精确测量，而是用延时函数估计。延时函数delay_10us是用逻辑分析仪对STC11L16XE标定的，使用其他MCU需要重新标定。

结语
    Tsic温度传感器与其他单总线温度传感器相比，具有精度高、测量范围宽、同等分辨率下转换速度快、操作简单、支持模拟输出等优点。Tsic与铂传感器相比，在校准范围内精度可以更高。Tsic系列温度传感器IC具有极高的性价比，在需要高精度测温的场合具有良好的应
用前景。