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高精度數(shù)據(jù)采集儀作為數(shù)據(jù)采集的有力工具，廣泛運(yùn)用于工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療健康等多個領(lǐng)域，溫度傳感器作為溫度測量設(shè)備的核心部分，可以幫助數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制，保證采集儀器的各個元器件穩(wěn)定工作，此外，它還可以多片組成陣列，實(shí)現(xiàn)大范圍的溫度采集以及溫度控制。本文主要探討，如何通過FPGA準(zhǔn)確讀取高精度溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)較高精度的數(shù)據(jù)輸出。

高精度溫度傳感器 ADT7422

本文使用的溫度傳感器是（ADI）推出的ADT7422，它是一款高精度數(shù)字IIC溫度傳感器，符合 ASTM E1112 標(biāo)準(zhǔn)的臨床溫度測定規(guī)范。

ADT7422內(nèi)包含一個內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源、一個溫度傳感器和 一個精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。在進(jìn)行焊接后無需校準(zhǔn)即可提供25℃至50℃溫度范圍內(nèi)分辨率為 0.0078℃、精度高達(dá)±0.1℃的16位溫度測量結(jié)果。ADT7422使用IIC時序規(guī)格，3.3VTTL電平。時鐘線SCL的最大頻率可達(dá)400kHz，具體時序規(guī)格如圖：

ADT7422有A0、A1兩個串行總線地址選擇引腳，一個IIC總線可掛載4片ADT7422，其內(nèi)部使用的是一個16位ADC來監(jiān)控溫度。但是需要注意：上電時默認(rèn)分辨率設(shè)置是13位，需要配置相應(yīng)的寄存器才可使用16位精度。

ADT7422配置有4種工作模式：正常、單次采樣、間隔1s采樣、關(guān)斷。芯片上電時默認(rèn)正常模式（即連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，一次溫度轉(zhuǎn)換完成后立馬開始下一次轉(zhuǎn)換），轉(zhuǎn)換一次一般需要240ms；單次模式：使能單次模式后進(jìn)行一次采樣，而后進(jìn)入關(guān)斷模式，此種模式有利于降低功耗；間隔1s采樣模式即每隔1s進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換；關(guān)斷模式即不進(jìn)行轉(zhuǎn)換（但是此模式下仍可讀取最后一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果），本文主要介紹ADT7244配置的正常模式。

 ADT7422寄存器

ADT7244寄存器位寬均為8bit，芯片上電時地址指針寄存器指向0x00（地址指針寄存器用于連續(xù)讀取，比如本場景中：將0x00的溫度高8位讀出后地址指針自動指向存有低8位數(shù)據(jù)的0x01寄存器，主機(jī)在讀取完高8位后即可直接讀取低8位數(shù)據(jù)而無需再次寫入地址0x01。）右圖中溫度值寄存器、狀態(tài)寄存器、ID寄存器為只讀寄存器，只能讀出數(shù)據(jù)、不可寫入數(shù)據(jù)。

 ADT7422器件地址

ADT7422具有7bit位寬的器件地址，具體根據(jù)A0、A1引腳的電平配置如下：

根據(jù)IIC通信協(xié)議，數(shù)據(jù)線在只能在時鐘為低時變化，在時鐘為高時必須保持穩(wěn)定（在時鐘高電平期間變化則代表起始或終止信號）。需要注意的一點(diǎn)是，IIC器件的時鐘和數(shù)據(jù)線都推薦上拉10KΩ電阻，以便總線空閑時將時鐘和數(shù)據(jù)線鉗制在高電平，也可提高總線驅(qū)動能力。

通過FPGA讀取ADT7422溫度值（13位模式）

模塊“adt7422_drv”接入時鐘、復(fù)位、數(shù)據(jù)輸入有效信號、相應(yīng)的器件地址，當(dāng)使能輸入有效信號時，模塊啟動一次讀取流程、讀出最近一次轉(zhuǎn)換所得出的溫度數(shù)據(jù)（與一般ADC配置過程不同，如果不進(jìn)行配置，ADT7422上電復(fù)位完成后即開始進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存入0x00、0x01兩個寄存器。下一次轉(zhuǎn)換完成時，將寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)刷新）。此時輸出有效信號（frame_done）使能，將讀取到的16位數(shù)據(jù)輸出、等待下一次觸發(fā)讀取。

注：方便起見，tb文件模仿從機(jī)行為時僅發(fā)送“0”。配置器件地址為1001_011，寫入的寄存器地址為0000_0001。讀出的16位數(shù)據(jù)為0000_0000_0000_0000。

由于ADT7422上電默認(rèn)高13位溫度數(shù)據(jù)有效，如果上電后未配置成16位模式，則在拼接和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時候需要注意取高13位。實(shí)際采集到的ADT7422的原始ADC值以及轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)如下，溫度數(shù)據(jù)可由FPGA穩(wěn)定讀出。

高精度溫度傳感器應(yīng)用場景

ADT7422屬于數(shù)字溫度傳感器，優(yōu)點(diǎn)是具有較高精度的數(shù)字輸出、無需信號調(diào)理，缺點(diǎn)是溫度范圍受限（?55°C~+155°C）。

一、測量PCB溫度

PCB上的熱量大部分通過芯片的引腳傳輸至溫度傳感器芯片（ADT7422）。由此，ADT7422可以測量電路板的溫度、發(fā)熱量較大的芯片的溫度（如：FPGA、電源芯片等）以及連接器的溫度。

作此用途時應(yīng)注意，設(shè)計(jì)PCB時被測溫元件和ADT7422應(yīng)盡量靠近、同層共地（確保GND及時導(dǎo)熱）?；谝陨显?，ADT7422可用于元器件、電路接插件等的高精度溫度實(shí)時監(jiān)測。例如：
1、電機(jī)電路驅(qū)動控制系統(tǒng)、電池控制板的溫度監(jiān)測；
2、精密醫(yī)療器械的運(yùn)行溫度監(jiān)測；
3、芯片溫度可視化；
4、USB等連接器的溫度監(jiān)測；
5、激光二極管的溫度控制等。二、測量環(huán)境溫度
當(dāng)需要使用ADT7422測量芯片周邊空氣溫度而非電路板溫度時，需注意防止PCB熱源影響測量結(jié)果。

如圖，需要盡量使ADT7422遠(yuǎn)離熱源元件、盡量減少與熱源的引腳連接（如ADT7422的GND引腳使用較窄的走線、盡量減少與主GND鋪銅面的連接）。也可用于代替熱敏電阻、電阻溫度檢測器?；谝陨显?，ADT7422可用于環(huán)境溫度測量、生命體征監(jiān)測、食品的存儲及運(yùn)輸過程中溫度控制等。例如：
1、空調(diào)溫度的閉環(huán)控制；
2、運(yùn)動手環(huán)等穿戴式設(shè)備；
3、米、面、玉米等谷物倉庫的分布式溫度監(jiān)測、閉環(huán)控制等。

結(jié)論

利用FPGA驅(qū)動可準(zhǔn)確讀取高精度溫度傳感器ADT7422的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測量PCB溫度和環(huán)境溫度，多片ADT7422還可以組成陣列，進(jìn)行大范圍的溫度采集，可廣泛運(yùn)用于電機(jī)電路驅(qū)動控制系統(tǒng)、電池控制板的溫度監(jiān)測及精密醫(yī)療器械的運(yùn)行溫度監(jiān)測等，配合其他控溫設(shè)備實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)控制。