Добавление функционала измерения температуры в конструкцию беспроводных датчиков для сбора энергии

　　Мониторинг температуры играет важную роль в широком спектре применений. Для электронных систем температуры выше или ниже спецификаций могут влиять на номинальную производительность схем и систем. Помимо этих традиционных приложений терморегулирования, измерение температуры перешло из редких функций мониторинга системы в основную функцию приложений, таких как Интернет вещей (IoT). Здесь беспроводные датчики температуры используют технологии сбора энергии для обеспечения питания для измерения данных с датчиков и беспроводной передачи. Для таких маломощных конструкций инженеры могут найти интегрированные сенсорные ИС от таких компаний, как ADI, Maxim Integrated, Microchip Technology и Texas Instruments.

　　Для общих задач измерения температуры инженеры могут выбирать из различных датчиков температуры, включая термопары, RTD, термисторы и датчики ИС. Термопары обычно используются для высокотемпературного датчика; RTD подходит для более низких температурных диапазонов; и термисторы являются предпочтительным сенсором для точного обнаружения в узком температурном диапазоне. Каждый тип может обеспечить достаточно точные измерения для большинства применений, но инженеры сталкиваются с рядом задач при получении надёжных и точных данных о температуре.

　　Измерение температуры

　　Для проектировщиков реализация приложений для датчиков требует создания контуров кондиционирования сигналов для получения соответствующих данных для последующих приложений. Обычно контуры кондиционирования сигнала должны включать усилители, фильтры, компараторы, опоры напряжения и АЦП на пути сигнала. Кроме того, в зависимости от типа датчика, проектировщикам необходимо учитывать компенсацию холодной температуры, предоставлять источники возбуждения тока или напряжения, а также управлять таблицами поиска для линеаризации (см. рисунок 1).

　　Добавление функционала измерения температуры в конструкцию беспроводных температурных датчиков для сбора энергии Рисунок 1: Используя традиционные температурные датчики при проектировании, инженерам необходимо соответствовать требованиям по возбуждению и нагрузке датчиков, а также создать сигнальную цепочку, способную преобразовывать нелинейные значения датчиков в точные температурные данные (предоставлены Maxim Integrated). Хотя эти устройства весьма сложны и могут использоваться для сложных операций мониторинга температуры на уровне системы, инженеры могут найти более базовые микросхемы для датчиков температуры. Эти устройства специально разработаны для измерения температуры, упрощая проектирование за счёт сочетания встроенных датчиков температуры с интегрированными схемами кондиционирования сигналов, что устраняет необходимость для конструкторов решать ключевые детали кондиционирования сигналов и преобразования данных в простых сенсорных приложениях. Эти интегрированные устройства обеспечивают либо аналоговый, либо цифровой выход, включая все функции обработки сигнала, необходимые для получения точного линейного выхода в широком температурном диапазоне. Эти устройства обычно снижают общие требования датчиков к энергопотреблению и обеспечивают режимы ультранизкого энергопотребления, необходимые для беспроводных сенсоров с использованием технологий сбора энергии.

　　Датчик температуры Texas Instruments LM74 интегрирует датчик забороченой зоны и 12-битный ΔΣ АЦП, соответствующую логику управления, регистры и совместимый с SPI трёхпроводной последовательный интерфейс (см. рисунок 2). По умолчанию устройство включается в режиме непрерывного переключения,

　　Потреблять 265 мкА (типичное значение) для добавления функционала измерения температуры в конструкцию беспроводных датчиков для сбора энергии. Рисунок 2: Датчики температуры ИС упрощают проектирование приложений для измерения температуры, интегрируя датчики, схемы регулирования и преобразования на чипе (предоставлены компанией Texas Instruments). Однако, поскольку приложения для датчиков температуры требуют периодического отбора проб, инженеры могут установить LM74 в режим низкого энергопотребления при энергопотреблении ниже 10 мкА (типичное значение для DSBGA-корпусов при 3,3 В и 8 мкА для SOIC при 5 В). В этом режиме последовательный интерфейс остаётся активным, а устройство сохраняет последние температурные показания во внутренних регистрах. Таким образом, инженеры могут вызвать LM74, завершить показания температуры и вернуть устройство в режим отключения. В любое время, включая режим выключения, отдельные микроконтроллерные модули могут использовать последовательные интерфейсы для сбора последних данных о температуре.

　　Разнообразные конфигурации

　　Инженеры могут найти широкий спектр датчиков температуры ИС, которые интегрируют полные цепи сигналов с разными зонами (см. рисунок 1 снова снова), а также цепочки сигналов с дополнительными функциями. AD22100 ADI обеспечивает полную аналоговую цепочку сигналов без дополнительных аналоговых схем для тонкой настройки, буферизации или линеаризации. С таким типом устройств инженеры должны предоставлять отдельные возможности преобразования, часто полагаясь на микроконтроллеры с интегрированными АЦП.

　　AD22100 обеспечивает пропорциональную выходную мощность, при этом выходное напряжение пропорционально температуре напряжения питания устройства: при питании устройства от одного источника +5,0 В напряжение колеблется от 0,25 В при -50°C до +4,75 В при +150°C. Использование датчиков соотношения упрощает использование АЦП, поскольку один и тот же источник питания может служить эталонным для АЦП без необходимости отдельного и дорогого точного эталонного напряжения (см. рисунок 3).

　　Добавление функционала измерения температуры в конструкцию беспроводных температурных датчиков для сбора энергии Рисунок 3: AD22100 ADI — это пропорциональный температурный датчик ИС, позволяющий использовать одинаковый источник питания +5 В для эталонных напряжений AD22100 и АЦП без необходимости отдельного точного эталонного значения напряжения (предоставляемого Analog Devices). Небольшие изменения напряжения блока питания мало влияют, поскольку и AD22100, и АЦП используют блок питания в качестве ориентира. Для типичных применений сбора энергии на интегрированных микроконтроллерах инженеры могут использовать интегрированные с MCU АЦП без необходимости точных указаний напряжений, хотя может потребоваться простой RC-фильтр для защиты от высокоскоростных скачков. Входной вывод АЦП MCU.

　　Аналогично, серия Microchip Technology MCP9700 предлагает простое решение для измерения температуры. Основанный на технологии линейных активных термисторов Microchip, серия датчиков опирается на температурную зависимость внутренних диодов для генерации температурно-зависимых уровней выходного напряжения. Температурный коэффициент внутреннего диода связывает выходное напряжение с относительной температурой окружающей среды между -40° и 150°C. Для MCP9700 изменения напряжения в этом температурном диапазоне могут быть отрегулированы до температурного коэффициента 10,0 мВ/°C (типичное значение). Хотя могут использоваться очень сложные тепловые интегральные схемы, большинство из них предлагают функции для мониторинга крупных систем, выходящие за рамки объёма, необходимых для типичных беспроводных датчиков. Однако даже простые приложения для датчиков температуры могут нести риск работы с отклонениями температуры за пределами проектных норм. Для таких задач конструкторы могут выбирать температурные датчики ИС, такие как Texas Instruments (TI) LM75A, которые обеспечивают функциональность теплового мониторинга без дополнительных затрат более сложного оборудования для теплового мониторинга.

　　Инженеры могут использовать такие устройства, как LM75A, для измерения температуры, но чувствительные цепи отключаются в случае перегрева. Аналогично, Microchip Technology TCN75A не только позволяет разработчикам измерять температуру, но и отслеживать сигналы тревоги, срабатывающие при превышении установленного порога температуры.

　　Температурные датчики ИС могут значительно упростить реализацию приложений для измерения температуры. С другой стороны, они используют встроенные датчики температуры, то есть если оптимальный тепловой путь проходит через их выводы, измерения устройства в конечном итоге отражают температуру печатной платы, на которой оно установлено (или даже самого чипа). Поэтому производители обычно рекомендуют использовать компоненты, покрытые пластиком, так как пластик служит более эффективным теплоизоляционером между датчиком и печатной платой. Для дополнительной изоляции инженеры могут установить сенсорные микросхемы в герметичном теплопроводящем корпусе и разместить их в интересных условиях.

　　Для приложений, требующих полной изоляции тепловых измерений, инженеры всё ещё могут найти устройства, интегрирующие полную цепочку сигналов, но полагающиеся на внешние датчики. Maxim Integrated MAX6682 и MAX6674 используют внешние термисторы и термопары для получения цифровых данных о температуре соответственно. Проектировщикам достаточно подключить вход устройства к соответствующему датчику температуры и подключить совместимый с SPI трёхпроводной выход к микроконтроллеру микроконтроллера для получения полного датчика температуры (рисунок 4).

　　Добавление функционала измерения температуры в конструкцию беспроводных датчиков для сбора энергии Рисунок 4: Приложения, не способные использовать интегрированные датчики температуры, могут быть переоборудованы на интегрированные ИС, такие как Maxim Integrated MAX6682 и MAX6674, которые интегрируют полную цепочку сигналов, но полагаются соответственно на внешние термисторы и термопары (предоставленные компанией Maxim Integrated). » Резюме: ИС с датчиками температуры предоставляют простое энергоэффективное решение для базовых задач измерения температуры. Интегрируя встроенные датчики температуры с аналоговым или даже цифровым уровнем всей цепи сигнала, эти устройства могут рассматривать измерения температуры как выходные напряжения или конечные цифровые значения. С доступными интегрированными сенсорными ИС инженеры могут легко добавить возможности измерения температуры в маломощные беспроводные сенсоры, использующие технологии сбора энергии.