CN105849517B - 具有集成定时器及突发模式的数字温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成温度传感器装置，其具有：温度传感器，其提供对应于周围温度的模拟信号；模/数转换器，其耦合到传感器调节电路并接收所述模拟温度信号；及定时器及控制电路，其可操作以经配置以控制所述温度传感器装置来执行一序列的温度测量及关闭时间周期，其中在所述测量周期期间进行多个温度测量，其中所述定时器及控制电路进一步可操作以经编程以设置温度测量的数目及所述关闭周期的长度。

Description

具有集成定时器及突发模式的数字温度传感器

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2013年12月27日申请的序列号为61/921,183的美国临时专利申请案的优先权，所述临时专利申请案的全部内容以引用的方式并入本文中，正如在本文中充分陈述。

技术领域

本发明涉及数字温度传感器装置，尤其涉及一种具有先进特征的数字温度传感器。

背景技术

存在多种集成半导体温度传感器。此类传感器可用于具有小数目的引脚的外壳且可提供模拟接口或数字接口。模拟温度传感器通常输出与测量的温度成比例的电压，而数字温度传感器提供数字接口，所述数字接口经设计以将温度值编码成数字值并(例如)使用串行接口将这些值提供到处理器。为保持引脚的数目较小，这些数字温度传感器常常使用单线接口。然而，其它装置可使用具有一个以上线的接口。尽管此类数字温度传感器是方便的且可用于许多应用中，但某些应用可能另外需要特征。因此，存在对经改进的数字温度传感器的需要。

发明内容

根据实施例，一种集成温度传感器装置可包括：温度传感器，其提供对应于周围温度的模拟信号；模/数转换器，其耦合到传感器调节电路并接收模拟温度信号；及定时器及控制电路，其可操作以经配置以控制温度传感器装置来执行一序列的温度测量及关闭时间周期，其中在测量周期期间进行多个温度测量，其中定时器及控制电路进一步可操作以经编程以设置温度测量的数目及关闭周期的长度。

根据另一实施例，可编程的测量数目的范围在1与128之间。根据另一实施例，集成温度传感器装置可进一步包括功率控制单元，所述功率控制单元经配置以在关闭周期期间将集成温度传感器装置切换成休眠模式。根据另一实施例，关闭周期的可编程长度的范围为从0.5到128秒。根据另一实施例，控制单元包括平均化电路，所述平均化电路用于平均化在每一序列的温度测量期间接收的多个温度值。根据另一实施例，控制单元包括比较器，所述比较器用于比较每一温度值或平均温度值与阈值。根据另一实施例，所述装置包括外部连接，所述外部连接与比较器耦合以输出警报信号。根据另一实施例，传感器元件可为半导体二极管。根据另一实施例，集成温度传感器装置可进一步包括温度寄存器，所述温度寄存器与模/数转换器耦合以存储模/数转换器的输出。根据另一实施例，集成温度传感器装置可进一步包括平均寄存器，所述平均寄存器与控制单元耦合以存储平均温度值。根据另一实施例，集成温度传感器装置可进一步包括与模/数转换器耦合的数字滤波器。根据另一实施例，集成温度传感器装置可进一步包括滤波器寄存器，所述滤波器寄存器与数字滤波器耦合以存储经滤波的温度值。根据另一实施例，集成温度传感器装置可进一步包括控制寄存器，所述控制寄存器与数字滤波器耦合以存储所述可编程数字滤波器的滤波器系数。根据另一实施例，控制寄存器被设置为0以停用数字滤波器及/或其中控制寄存器选择多个预定义滤波器系数中的一者。根据另一实施例，集成温度传感器装置可进一步包括串行接口，所述串行接口可从由SPI、I²C，或单线串行接口组成的群组中选出。

根据另一实施例，一种用于操作集成温度传感器装置的方法，所述方法包括以下步骤：提供具有温度传感器、模/数转换器及定时器单元的温度传感器装置；使用模/数转换器执行由传感器元件提供的模拟值的预定数目的循序模/数转换以产生多个数字值；平均化由循序模/数转换提供的数字值；将所述温度传感器装置切换成休眠模式持续预定关闭周期；及重复转换、平均化及切换成休眠模式。

根据另一实施例，所述方法可进一步包括将平均数字值存储在平均寄存器中。根据另一实施例，所述方法可进一步包括在平均化数字值之前使用数字滤波器对数字值进行滤波。根据另一实施例，所述方法可进一步包括比较平均数字值与阈值并在平均数字值大于阈值的情况下输出警报信号。根据另一实施例，在集成温度传感器装置的中断信号线上输出警报信号。根据另一实施例，通过集成温度传感器装置的串行接口输出警报信号。根据另一实施例，所述方法可进一步包括比较每一转换与阈值并在平均数字值大于阈值的情况下输出警报信号。根据另一实施例，在集成温度传感器装置的中断信号线上输出警报信号。根据另一实施例，通过集成温度传感器装置的串行接口输出警报信号。根据另一实施例，所述方法可进一步包括将控制值存储在控制寄存器中，所述控制寄存器与数字滤波器耦合以选择滤波器系数。根据另一实施例，可通过微处理器或微控制器经由集成温度传感器装置的串行接口读取平均寄存器。

附图说明

图1展示根据各种实施例的框图；

图2展示温度传感器信号的时序图；

图3展示根据实施例的时间控制电路的框图；及

图4展示描绘各种滤波器系数的传递函数的曲线图。

具体实施方式

根据各种实施例，具有用户可选定时器间隔的温度感测装置允许获得温度读数突发并以预设间隔监测温度。

传统极低功率微控制器管理时间及各种时间相关任务。这增加成本，这是因为微控制器需要在活动模式中来控制这些程序。根据各种实施例的具有非常快的温度转换速率及低操作电流的独立温度传感器装置使得对于其中可从控制器卸载例如时间管理的典型功能以节省更多电力的此类型的应用来说是理想化的。

通常，通过与单独温度传感器装置耦合的微控制器管理定时器间隔，且控制器以预设间隔从传感器取样温度。在其中控制器在低功率或休眠模式中以节省电池寿命的低功率应用中，控制器将从休眠模式唤醒并以预设间隔测量温度。此活动消耗电力。运用根据各种实施例的定时器模式，传感器可以预设间隔进行编程以测量温度样本突发并监测用户设置温度警报阈值，因此微控制器不需要消耗电力来完成此事件。这些集成定时器模式及突发模式特征使根据各种实施例的温度传感器装置对于低功率热管理应用来说是理想化的。

根据各种实施例，此数字温度传感器可进一步包括数字滤波器特征，所述特征使用户能够控制温度传感器灵敏度。根据各种实施例，可实施多种此类滤波器。最低滤波器设置使用户能够检测快速热瞬态，且最高滤波器设置减小传感器灵敏度，输出温度的逐渐改变。温度传感器可为可配置的，例如，包括可通过装置的串行接口配置的配置寄存器。

根据各种实施例，此低功率及数字温度传感器可针对高分辨率温度数据，以比常规装置更快的速度输出温度数据，例如，以5毫秒间隔(通常)，或每秒200次的速度输出温度数据。此速率比常规温度传感器的速度快大约25倍。归因于此高速度转换速率，装置在温度转换模式中花费较少时间，这在其结合低功率或关闭模式使用时节省总体操作电力。然而，归因于快速温度转换，可能从应用中检测到快速热瞬态，且装置可能输出错误温度警报。解决方案是实施具有供用户调整滤波器系数或滤波器强度的选项的集成数字滤波器。

在常规应用中，如果应用需要数字滤波器，则使用微控制器来处理温度数据并对温度数据进行滤波。根据各种实施例，微控制器消耗显著高于温度传感器的操作电流或电力。因此，此集成特征消除微控制器的相关联处理要求，并使根据各种实施例的数字温度传感器对极低功率应用来说是理想的。

根据一些实施例，如图1中所展示的根据各种实施例的温度传感器100可具有若干功能块：固有传感器110及相关联调节电路120、模/数转换器130及用户可编程寄存器140。在此实例中可使用二极管110来测量温度，且使用传感器调节电路120来偏置传感器二极管110，并将二极管电压按比例调整到可测量电平。然而，根据其它实施例，可使用其它类型的传感器及(如果需要)调节电路。基本上，温度传感器提供可容易转换成温度值的模拟信号，例如电压或电流。模拟值可与温度成比例或可具有已知线性或非线性关系。举例来说，可在传感器装置内使用存储于存储器中的表格来检索对应于模拟值的温度值。

使用模/数转换器130来将周围温度数据转换为数字格式。数字温度数据在用户周围温度数据寄存器142中可供用户使用且根据一个操作模式可直接写入到寄存器142中。替代地，可将来自模/数转换器130的输出值转送到可包含简单算术逻辑单元165的控制单元。此单元可经配置以计算在温度突发测量循环期间所接收的多个温度值的平均值。接着，可将经计算平均温度存储在相关联寄存器148中。替代地或此外，可将数字滤波器块150(下文将更详细解释其功能)的输出值转送到控制单元且可由ALU 165计算经滤波的温度值的平均值并将所述平均值存储在寄存器148、146或另一寄存器中。温度传感器可进一步经设计以可通过寄存器140配置。

根据各种实施例，可提供数字滤波器块150，其中使周围温度数字数据传递通过数字滤波器150的滤波器引擎。可由用户使用滤波器系数数据寄存器144调整滤波器系数或滤波器强度。接着，经滤波的数据可用于经滤波的温度寄存器146中。

根据各种实施例，温度传感器的控制逻辑此外可包括与控制单元160耦合的定时器控制电路190，如图1中所展示。图2更详细展示此控制单元190。控制单元190可包含定时器192及相关联的比较器194，比较器194用于比较定时器值与预定数目，例如存储在配置/控制寄存器144中的一者中的数目。图1及3仅展示单个配置寄存器144。然而，所述装置可具有多个相应配置寄存器144，可通过串行接口170存取相应配置寄存器144(如果需要)。此外，计数器196可经实施而可经配置以从寄存器144加载预设值并倒数到0。

此外，可提供可与控制单元160耦合的电力供应器及控制单元195。电力供应器控制单元195可包含用于提供所有必要内部供应电压、参考电压等的电路，且可将这些电压的相应分配进一步提供到装置的相应电路或单元。控制电路160可经配置以控制单元195以将整个装置切换成关闭模式，举例来说，例如休眠模式，在所述模式期间仅可操作用于确定周期T_{SHDN_TMR}及相关联逻辑的相应定时器，如下文将更详细解释。电力供应器及控制单元因此经配置以关闭对在休眠模式期间不需要操作的所有单元的供应电压，并在休眠模式终止时立即将相应电压提供到这些单元。因此，在休眠模式期间，所述装置仅需要最小电力。

图2中的时序图指示使用此定时器控制电路190的温度取样突发操作模式，如图3中更详细展示。在图2中，参数‘m’表示每一突发周期的突发温度样本数目，其中(举例来说)此值可为如图3所中所展示可由用户通过寄存器144编程的值，例如可设置为从1到128个样本。定时器及控制电路190中的计数器196经配置以倒数每一周期的温度值的数目‘m’。可通过模/数转换器130的速度来确定循序取样之间的时间周期Δt。如果此速度为可(举例来说)通过控制寄存器144中的一者调整，那么测量周期的整个长度可取决于ADC 130的速度及每一测量周期获得的样本数目。第二值T_{SHDN_TMR}是指低功率或关闭模式时间(其中定时器开启)。同样，在相应控制寄存器144中，此值可为用户可编程的，例如设置为从0.5s到128s。可使用定时器及控制单元190的定时器192来测量此参数，并使用比较器194来比较此参数以通过串行接口170产生相应内部信号及(如果需要)一或多个外部信号。

图2中的每一垂直线指示温度样本，且字母‘m’指示由用户使用相关联用户可编程数据寄存器144设置的样本数目。如上文提及，T_{SHDN_TMR}值是经用户编程的定时器间隔值，根据一些实施例，所述间隔值可在从(例如)0.5秒到128秒的范围中。然而，可实施其它范围。定时器可以简单递减模式操作或倒数到0以确定相应关闭/休眠模式时间周期。如图2的时序图中指示，装置以定时器间隔取得m个温度突发，且还可监测温度警报限制。举例来说，可由(例如)在控制单元160内的比较器167来比较每一测量值与阈值，以通过接口170产生警报。可将阈值存储在另一寄存器144中。或者或此外，可由控制单元160(如上文所解释)，自动平均化m个温度值以产生可接着存储于(例如)寄存器148中的平均温度值。接着，可由控制单元160比较平均值与阈值。警报可为通过专用中断线185从温度装置馈送到微控制器的中断信号，或替代地为通过串行接口170发送的信号。因此，根据实施例，微控制器可不处理测量值的任一者直到中断信号或相应消息已被接收。因此，根据一个实施例或操作模式，仅在测量温度超过阈值的情况下，微控制器可接收信号并读取测量值以确定随后进行何种动作。可将多个阈值实施为最小值及最大值，且可在控制单元160中实施相应比较器以产生一或多个唤醒信号。

然而，根据其它操作模式，温度传感器装置100可在突发期间自动输出每一温度值或在突发结束时自动输出平均温度值，或经由接口自动输出平均经滤波的温度值等。装置可允许在程序控制下以所揭示的操作模式中的任一者操作。

如果如以上论述在温度传感器装置100内执行所有处理，那么此操作模式允许极低功率热管理。根据各种实施例的传感器100对温度数据进行滤波以防止错误警报且比常规装置快约25倍，其中其短的操作时间节省电力。

快速转换时间增大对测量系统热噪声的灵敏度。具有用户可编程滤波器强度的增加的数字滤波器150允许装置管理温度传感器内的热数据，因此微控制器不需要唤醒来执行此任务。

表1展示根据各种实施例的待用于如图1中所展示的温度传感器100的数字滤波器的实例。

表格1

因此，将存储在控制寄存器144的相关联的一者中的值(举例来说，如表1中所展示，控制寄存器144中的一者的位6到4中的值)用作为索引以选择多个预定义滤波器系数中的一者。可根据各种实施例使用其它位且上文提及的特定位仅为实例。因此，用户仅需存储选择数字来激活特定滤波器功能。如果索引等于0，那么整个滤波器将被停用。然而，其它实施例可使用不同配置过程。举例来说，滤波器可具有多个可变参数且用户可将这些参数直接编程到各种寄存器中。尽管此选项提供用户对滤波器的更多控制，但其还将涉及更复杂设置程序。可实施一个以上类型的滤波器或其它额外功能，且用户可具有选择多个滤波器或后处理例程中的一者的机会。举例来说，根据各种实施例的数字温度传感器装置可具有额外平均化例程及存储可选或预定义平均数的相关联寄存器。可实施计算均值或几何平均值及任选的其它统计值的各种平均化例程。

在此实施例中，滤波器为无限脉冲响应低通滤波器。根据实施例，可提供八个不同滤波器系数设置。控制寄存器144的三个位可提供如上文解释的这些选项。然而，可根据其它实施例提供更多或更少选项。此外，控制寄存器可具有可用于例如如上文论述的操作模式的其它配置的更多位。如图2中可见，如果滤波器系数被设置为0，那么无滤波器功能将被应用。因此，此设置可用作为停用功能。余下的七个设置从最小滤波器功能横跨到最大滤波器功能。

数字温度传感器100可进一步使用用于控制滤波器功能的控制逻辑160且还可包含用于与外部微处理器或微控制器180通信的(例如)数字串行接口170。串行接口70可允许对所有寄存器140的存取以设置功能性(例如，数字滤波器功能)并从至少一或多个温度寄存器140、146、148读取温度数据。串行接口可为任何类型的串行接口，例如串行外围接口(SPI)、I²C接口，或特定来说任何类型的单线接口，例如UNI/O、1-WIRE等等。也可使用能够通过单通信线供应电力以进一步减小外部引脚数目的串行接口。可如上文所论述配置其它功能。

如图1中所展示，所测量温度可存储在单独寄存器142中且经滤波的温度值可存储在另一寄存器146中。此外，如果使用突发模式，那么可在一个操作模式中平均化突发模式期间获取的m个温度值并将其存储在寄存器148中。在另一操作模式中，可使用数字滤波器150对这m个温度值进行滤波并由控制单元160平均化所述温度值且接着将所述温度值存储在寄存器146或148或额外寄存器中。如上文提及，可实施另一控制寄存器144以控制模/数转换器130(例如，如上文所提及)以配置速度及分辨率。

通常，常规数字传感器的温度转换速率对于高分辨率数据装置为约每秒4到8次。在此缓慢转换时间期间，装置消耗连续电流，且如果由微控制器实施数字滤波器，那么控制器可测量小部分传感器转换时间或电力内的温度数据并对所述温度数据进行滤波。因此，使用缓慢转换时间传感器实施集成数字滤波器不存在很大优势。但使用根据各种实施例的温度传感器的快速转换时间节省电力，且滤波器特征通过从控制器卸载数据处理需要而节省电力。

图4展示取决于各种设置的无限脉冲响应(IIR)低通滤波器。将如下处理经滤波温度：

T_{A_FLT}＝a·T_A+(1-a)·T_{A_PRV} 方程式1

可将此方程式1简化为：

T_{A_FLT}＝a·T_A-T_{A_PRV}·a+T_{A_PRV} 方程式2

其中a＝1/2ⁿ且n为用户可选滤波器系数。

Claims (27)

1.一种独立集成温度传感器装置，其包括：

温度传感器，其包括传感器元件和传感器调节电路，所述传感器调节电路提供对应于周围温度的模拟信号；

模/数转换器，其耦合到所述传感器调节电路，并接收所述模拟信号；及

定时器及控制电路，其经配置以控制所述温度传感器装置来执行一序列的测量周期，在此之后，所述温度传感器装置在关闭时间周期期间切换入低功率模式，其中所述定时器及控制电路可经编程以设置所述关闭时间周期的长度，其中每一测量周期之后接着所述关闭时间周期，

其特征在于，

可在独立集成温度传感器装置内进行数目m次的编程，其中所述数目m表示将在每一测量周期期间将要执行的温度测量的数目，其中在测量周期期间，来自所述温度传感器的所述模拟信号随后由所述模/数转换器转换m次。

2.根据权利要求1所述的独立集成温度传感器装置，其中可编程的测量数目范围在1与128之间。

3.根据权利要求1所述的独立集成温度传感器装置，其进一步包括功率控制单元，所述功率控制单元经配置以在所述关闭时间周期期间将所述集成温度传感器装置切换成休眠模式。

4.根据权利要求1所述的独立集成温度传感器装置，其中所述关闭时间周期的可编程长度范围从0.5到128秒。

5.根据权利要求3所述的独立集成温度传感器装置，其中所述功率控制单元包括平均化电路，其用于平均化在多个温度测量期间接收到的多个温度值。

6.根据权利要求5所述的独立集成温度传感器装置，其中所述功率控制单元包括比较器，其用于比较每一温度值或平均温度值与阈值。

7.根据权利要求6所述的独立集成温度传感器装置，其中所述装置包括外部连接，所述外部连接与所述比较器耦合以输出警报信号。

8.根据权利要求1所述的独立集成温度传感器装置，其中所述传感器元件为半导体二极管。

9.根据权利要求1所述的独立集成温度传感器装置，其进一步包括温度寄存器，所述温度寄存器与所述模/数转换器耦合以存储所述模/数转换器的输出。

10.根据权利要求5所述的独立集成温度传感器装置，其进一步包括平均寄存器，所述平均寄存器与所述功率控制单元耦合以存储平均温度值。

11.根据权利要求1所述的独立集成温度传感器装置，其进一步包括数字滤波器，所述数字滤波器与所述模/数转换器耦合。

12.根据权利要求11所述的独立集成温度传感器装置，其进一步包括滤波器寄存器，所述滤波器寄存器与所述数字滤波器耦合以存储经滤波的温度值。

13.根据权利要求11所述的独立集成温度传感器装置，其进一步包括控制寄存器，所述控制寄存器与所述数字滤波器耦合以存储所述数字滤波器的滤波器系数。

14.根据权利要求13所述的独立集成温度传感器装置，其中所述控制寄存器被设置为0以停用所述数字滤波器，及/或其中所述控制寄存器选择多个预定义滤波器系数中的一者。

15.根据权利要求1所述的独立集成温度传感器装置，其进一步包括串行接口。

16.根据权利要求15所述的独立集成温度传感器装置，其中所述串行接口从由SPI、I²C，或单线串行接口组成的群组中选出。

17.一种用于操作独立集成温度传感器装置的方法，其包括以下步骤：

提供具有传感器元件、耦合至所述传感器元件的传感器调节电路、耦合至提供对应于周围温度的模拟信号的所述传感器调节电路的模/数转换器及定时器单元的所述独立集成温度传感器装置；

在所述独立集成温度传感器装置内进行数目m次的编程，其中m表示测量周期期间所述模拟信号的循序模/数转换的数目以及编程关闭周期的长度；

通过所述独立集成温度传感器装置使用所述模/数转换器在测量周期期间执行由所述传感器调节电路提供的模拟信号的m次循序模/数转换以产生多个数字值，

平均化由所述循序模/数转换提供的所述数字值，

将所述温度传感器装置切换成休眠模式并持续所编程的关闭周期，以及

重复所述转换、平均化及切换成休眠模式。

18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括将经平均化的数字值存储在平均寄存器中。

19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括在平均化所述数字值之前，将控制值存储在与数字滤波器耦合的控制寄存器中用以选择滤波器系数，并且使用所述数字滤波器对所述数字值进行滤波。

20.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括比较经平均化的数字值与阈值，并在所述经平均化的数字值大于所述阈值的情况下输出警报信号。

21.根据权利要求20所述的方法，其中在所述集成温度传感器装置的中断信号线上输出所述警报信号。

22.根据权利要求20所述的方法，其中通过所述集成温度传感器装置的串行接口输出所述警报信号。

23.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括比较每一转换与阈值，并在经平均化的数字值大于所述阈值的情况下输出警报信号。

24.根据权利要求23所述的方法，其中在所述集成温度传感器装置的中断信号线上输出所述警报信号。

25.根据权利要求23所述的方法，其中通过所述集成温度传感器装置的串行接口输出所述警报信号。

26.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括将控制值存储于控制寄存器中，所述控制寄存器与数字滤波器耦合以选择滤波器系数。

27.根据权利要求18所述的方法，其中可通过微处理器或微控制器经由所述集成温度传感器装置的串行接口来读取所述平均寄存器。