红外传感器所产生的红外辐射信号经过放大
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设计中国集成电路China lntegrated CircultＣＩＣ适合低功耗高精度红外测温 So C芯片与方案实现陈宏铭 １， 李水竹 ２， 陈宏维 ３， 程玉华 １ （１． 上海北京大学微电子研究院， 上海， ２０１２０３； ２． 宏康伊科技 （深圳）有限公司， 广东 深圳， ５１８０００； ３． 纟 康科技股份有限公司， 中国台湾 台北， １１１６４） 厷摘要： 本文介绍了适合高精度红外测温的低功耗 ＳｏＣ芯片结构和性能， 完成红外数据采集和信号处理功 能。本文还阐述了 ＳｏＣ芯片在红外测温系统中的软硬件设计， 并进一步说明了 ＳｏＣ设计在红外测温应用 中所需的红外传感器与模拟前端电路的原理。红外传感器所产生的红外辐射信号经过放大、滤波、 ∑－ Δ Ａ Ｃ模数变换后经 ＳｏＣ芯片数据处理， Ｄ 在液晶显示器上显示出测试结果。 实验表明， 红外耳温计分 辨率达到了 ０． ０１℃， 能够准确、 快速的测量耳温， 适合家庭、 医院或机场的体温检查站使用。 关键词： 红外测温仪； 红外传感器； ＳｏＣ芯片； Δ Ａ Ｃ ∑－ ＤThe Implementation of Low Power SoC Chip and Solution for Infrared Temperature MeasurementCHEN Hong-ming1, LEE Shui-chu2, CHEN Hung-wei3, CHENG Yu-hua1 （ Shanghai Research Institute of Microelectronics （ 1. SHRIME） Peking University, Shanghai, 201203， , C 2. Hycon Technology （ Shenzhen）Co., Ltd, Shenzhen, 518000， C 3. Hycon Technology, Taipei, 11167， China） Abstract: Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ＳｏＣ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｅｒｅ ｆｕｌｆｉｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＳｏＣ． Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｎ ＳｏＣ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ａｎａｌｏｇ ｆｒｏｎｔｅｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ＳｏＣ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｙ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ， ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ， ∑－ Δ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ， ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ＳｏＣ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｏｎ ＬＣＤ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅｔｅｒ ｒｅａｃｈｅｄ ０．０１ ℃， ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｅａｒ ｃａｖｉｔｙ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｒａｐｉｄｌｙ． Ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｈｏｕｓｉｎｇ ｓｅｒｖｉｃｅ， ｈｏｓｐｉｔａｌ ｃａｒｅ ａｎｄ ｃｈｅｃｋ ｐｏｉｎｔｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｔ ａｎ ａｉｒｐｏｒｔ． Keywords: Ｍｅｔｅｒ； Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ； ＳｏＣ Ｃｈｉｐ； ∑－ Δ ＡＤＣ11 ５０ （总第 １６２ 期） 2012· · http： //&&&&ＣＩＣ 中国集成电路China lntegrated Circult设计1 引言测量病人体温是一种用来推测病人健康状况、 跟踪治疗效果的常用方法。体温是反映人体健康状 况的重要指标，其准确性直接影响到疾病的诊断和 治疗。临床通常采用口腔温度、腋窝温度作为衡量 人体平均温度的指标。传统测温使用水银温度计的 热胀冷缩效应进行接触式测量，可通过不同部位测 温，具有性能稳定， 误差小等优点。由于水银泡是由 很薄的玻璃制成， 极易破碎， 而其中的水银蒸汽对人 体有极强的毒害，因此普通的温度计有非常严重的 安全隐患， 而且还存在测量时间长、 潜在交叉感染的 危险、消毒步骤繁琐等缺点。水银温度计已经不能 满足快速、 准确的测量人体温度的要求， 非接触、 快 速、 准确的红外测温仪在机场、 车站、 社区等人员密 集且流量大的场合得到了广泛应用。 红外测温是通过热辐射原理来测量温度， 是一 种非接触式测温方式，与接触式测温相比，具有响应 速度快、 精度高、 测量范围广、 操作简捷，减少护理工 作量等优点。而且测温部位使用一次性保护胶套减 少了交叉感染的机会〔１〕。红外测温广泛应用于军事、 医疗、 教育、 食品检验、 交通等领域。本文以研究人 体红外测温系统为目的， 概述了红外测温原理， 详细 说明了适合高精度红外测温的低功耗 ＳｏＣ 芯片结 构和性能、 系统的硬件结构和软件设计。图 1 模拟与数字信号转换2. 1 红外测温原理简介非接触式测温是通过热辐射来测量温度，测温 元件不需与被测物质接触。实现这种测温方法可利 用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温 度。这是红外技术和微电子技术相结合的新型温度 测量仪器， 也是体温测量仪器的趋势〔２〕。非接触式体 测量距离、 环境温度、 烟尘和 温测量法易受发射率、 水气等外因影响。按照测量应用的不同可分为红外 耳温计、 手持式额温计和医用红外热像仪。 如图 ２ 的波长频谱图所示， 在电磁波谱中， 我们 把人眼可直接感知的 ４００￣７００ 纳米称为可见光波 段， 红外线是一种电磁波， 其波长在 ７００ ￣ １４０００ 纳 米之间， 红外波段的短波段与可见光红光相邻， 长波 端与微波相接。按波长的范围可分为近红外、中红 远红外、 极远红外四类， 它在电磁波连续频谱中 外、 的位置是处于无线电波与可见光之间的区域〔３〕。2 高精度红外测温系统的设计特点一般高精度红外测温系统都是利用单片机作为 控制核心， 用以控制红外测温模组以实现温度测量。 模拟与数字的信号转换如图 １ 所示，利用热电堆红 外传感器将采集到的红外辐射转化为电信号，再经 由本文所介绍 ＳｏＣ 芯片内所整合的低噪声放大器 放大后送给 ∑－ Δ ＡＤＣ， 芯片再将 ∑－ Δ ＡＤＣ ＳｏＣ 输出的数字信号运算处理后输出测量结果并保存在 芯片内部 ＲＡＭ 中再输出到显示模组。图 2 波长频谱图依据测温原理的不同，通过测量辐射物体全波 长的热辐射来确定物体的辐射温度称为全辐射测温 法。该测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定 温， 得到物体的辐射温度。 本文选用这种方法是因为 结构简单， 实现的成本较低。 由普朗克公式可推导出 辐射体温度与检测电压之间的关系式：Ｖ ＝ＲａεσＴ ４＝ＫＴ ４（１）http： //2012· ·（总第 １６２ 期） ５１ 11&&&&设计式中 Ｋ ＝Ｒａεσ， 由实验确定， 定标时 ε 取 １中国集成电路China lntegrated CircultＣＩＣ的吸收区把入射的红外线转换成热量， 同时在闭合 回路上产生温差电流和温差电动势， 而热电偶把热 量转换成电压输出。利用温差电效应制成的红外传 感器称为热电偶型红外传感器。由于热电偶红外传 感器提供的温差电动势比较小， 动态特性较差， 应用 微结构薄膜技术在硅底板上集成了几个或几十个基 于热电效应的热电偶，串联起来组成比热电偶提供 更大的温差电动势的热电堆红外传感器。Ｔ ：被测物体的绝对温度 Ｒ ：探测器的灵敏度 ａ ：与大气衰减距离有关的常数 ε：辐射率 σ：斯蒂芬 － 玻耳兹曼常数利用此关系式可以通过检测电压而确定被测物 体的温度。上式表明探测器输出信号与目标温度呈 非线性关系， 与 Ｔ 的四次方成正比， Ｖ 所以要进行线 进 性化处理。线性化处理后得到物体的表观温度， 行辐射率修正后为真实温度， 校正后的公式：Ｔ＝Ｔｒ ε Ｔ） 姨 （４（２）式中 Ｔｒ ：辐射温度 （表观温度）ε Ｔ）：辐射率如图 ３ 所示， ０．１～０．９ （ 取由于受辐射信号的影响，辐射率修正后的真实 温度高于环境温度， 所以还须要作环温补偿， 也就是 最终被测物体的温度减去环温才能得到真实温度。 生物频谱是由生物自身发出，生物物理信息的光波 或频率。生物频谱的波长覆盖范围在电磁波谱中的 紫外线到弱微波之间，人体的生物频谱则主要在红 外线到弱微波区域， 尤其集中在红外线波段范围， 因 此它遵循电磁波的一切特性。图 4 红外温度传感器热电堆输出的电压值由目标物温度及热电堆所 处的环境温度决定 （见图 ５）。建议使用分辨率 ０．０１℃精度的热电堆，当环境温度 ２５℃校正时绝对 误差在±０．０３℃内。热电堆是由半导体材料制作而 成的传感器， 故容易受温度而影响其测量数值。 良好 的热电堆红外传感器的公式：Ｖｏｕｔ ＝ Ｋ ｘ 〔 Ｔｔ ＋ ２７３．１３）４ －（Ｔａ ＋ ２７３．１３）４〕 （＝ Ｋ ｘ ｆ（Ｔｔ ， ａ） Ｔ ＝ Ｋ ｘ 〔ｆ（Ｔｔ ， ｒｅｆ）－ ｆ（Ｔａ ， ｒｅｆ）〕 Ｔ Ｔ （３）Ｖｏｕｔ： 热电堆输出电压 Ｋ： 热电堆的灵敏度 Ｔｔ： 目标物温度（℃） Ｔａ： 环境温度（℃）良好的热电堆红外传感器会有以下两个特性图 3 黑体与灰体的波长与散射关系Ｔｔ ＝ Ｔａ 时， Ｖｏｕｔ ＝０ Ｋ 为常数，不随环境温度而改变。红外传感器由两个二端口组件组成，分别为热 电堆（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）及热敏电 阻（Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）， 两者 封装如图 ４ 所示。热电偶是由热电功率差别较大的 两种金属材料构成。当红外辐射入射到两种金属材 料构成的闭合回路接点上时， 该接点温度升高， 而另 一个没有被红外辐射照射的接点处于较低温，热电 偶的热端和冷端之间用隔热的 ＳｉＮｘ 隔膜隔开，热端2. 2 红外测温仪的系统结构红外耳温计利用了鼓膜温度变化与下丘脑温度 变化成比例的原理〔４〕，通过测量鼓膜和周围组织产生 的红外热能，间接获得大脑的温度， 具有高精度、 高 分辨率、 测量速度快、 操作简便、 安全舒适等优点。 红11 ５２ （总第 １６２ 期） 2012· ·http： //&&&&ＣＩＣ 中国集成电路China lntegrated Circult设计图 6 人体红外测温系统框图款低功耗 ＳｏＣ 芯片为核心， 再辅之以极少的外围芯 片设计一款高精度的红外测温仪。图 5 热电堆电压与温度曲线3. 1 SoC芯片特点外耳温计应用通过红外传感器采集耳腔和鼓膜的红 外辐射并转化为数字信号。手持式额温计应用使用 红外传感器测量人体额头的红外辐射，经过信号放 大、数模转换。上述两种应用都是利用微控制器将 数字信号转换为温度值并显示在液晶屏上。医用红 外热像仪应用则是通过红外成像传感器测量人体的 红外辐射场， 经过放大处理、 转换成红外热像图输出 到显示器上。 人体红外测温系统依据红外辐射原理进行温度 测量， 主要由高精度医用红外传感器、 微控制器和其 他外围部分组成，一般常见红外测温仪的系统结构 如图 ６ 所示。红外传感器将人体额头的红外辐射转 换成数字信号输入微控制器。超声波传感器利用超 声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，测量红外 传感器与人体额头的距离。环温传感器测量环境温 度， 在微控制器里对超声波传感器进行温度补偿， 使 超声波测距精度不受环境温度的影响。传感器信号 经微控制器运算后， 在液晶屏显示出人体温度读数， 并伴随蜂鸣器发出提示音。 ＳｏＣ 芯片内部模块如图 ７ 所示，内置 ＥＥＰＲＯＭ 与 ４Ｋ 字（Ｗｏｒｄ）一次性可编程（ＯＴＰ） 程序存储 器， 字节 ２５６ （Ｂｙｔｅ）数据存储器。上电及掉电检测 （Ｂｒｏｗｎｏｕｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ） ，用于检测电源电压的降低，并 （Ｗａｔｃｈ ｄｏｇ Ｔｉｍｅｒ ） 主 将处理器完全复位。看门狗 要用于产生唤醒事件，可防止程序的跑飞。 芯片内还 １６ 有 ８ 位定时器 Ａ， 位定时器 Ｂ 具 Ｃａｐｔｕｒｅ／Ｃｏｍｐａｒｅ 功能， 位定时器 Ｃ 具 ＰＷＭ／ＰＦＤ 波形产生功能。 １６ ＳＰＩ 串行通信模块可以用来外挂器件。 内 置 绝 对 温 度 传 感 器 与 １８ 位 全 差 动 输 入 ∑ΔＡＤＣ 类比数位转换器， 内置可编程增益放大器 （ＰＧＡ， Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ） 及可有 １／４、 １／２、 １……１２８ 倍 １０ 种输入信号放大倍率选择。内 置输入零点调整， 可针对不同应用增加其量测范围。 内置高阻抗输入缓冲器。超低输入噪声 （＜１ｕＶｐｐ） 运算放大器， 可提供高输出阻抗小信号的放大及小 电流的电压转换。１．２Ｖ 低温飘系数参考电压源输 出， 具有推挽式 （Ｐｕｓｈ－ Ｐｕｌｌ）驱动能力， 可提供传感 器驱动电压。ＬＶＤ 低电压检测功能可配置 １４ 段检 测电压。模拟电压源 ＶＤＤＡ 具 １０ｍＡ 稳压电压源输 出能力， 可有 ４ 种不同输出电压选择。 ４×２０ ＬＣＤ 液 晶驱动器。１／４ 占空 （Ｄｕｔｙ）、 偏置 １／３ （Ｂｉａｓ）。内建 ＳｏＣ 芯片的功能主要在量测电压信号， 数据的 计算，信号的控制与结果的显示。 本文所提出的低功 耗 ＳｏＣ 芯片具有芯片面积小、 高度集成模拟 ＩＰ 减少 外挂芯片、 减小 ＰＣＢ 板的面积等特点。本文会以这 可提供 ４ 种 ＬＣＤ 电荷泵 （Ｃｈａｒｇｅ Ｐｕｍｐ）稳压线路， 偏压。3 SoC芯片的硬件设计3. 2 模拟前端电路2012· ·（总第 １６２ 期） ５３ 11http： //&&&&设计中国集成电路China lntegrated CircultＣＩＣ（ＲＭＳ Ｎｏｉｓｅ ＠ ＯＳＲ＝３２７６８）。低噪 声可达到 ０．１ｕＶ 声可编程增益放大器使用切换式电容的放大方式， 对于需要分辨出小于 １ｕＶ 的待测信号可启动低噪 声可编程增益放大器来将信号放大。不使用低噪声 可编程增益放大器，可使用输入缓冲器以达到高阻 抗输入。不使用输入缓冲器，输入信号之共模电压 范 围（ＣＭＲ， Ｃｏｍｍｏｎ Ｒａｎｇｅ）可 达 － ０．２Ｖ￣ＶＤＤＡ。 ∑－ Δ 调制器可调整输入电压放大倍率，可选择倍 率为 １／４、 １、 ４、 １６ 倍。可选择参考电压的倍 １／２、 ２、 ８、图 7 SoC芯片内部模块率为 １ 或 １／２。３ 位的直流输入偏压设定。调制器的 取样频率可配置的范围在 ３１．５ｋＨｚ￣２５０ｋＨｚ． 梳状滤 波器的可配置范围在 ＯＳＲ ＝ ２５６￣３２７６８，ＡＤＣ 输出 （取样频率 ＝ ２５０ｋＨｚ），还能产 速率约为 １ｋＨｚ￣８Ｈｚ 生中断。 如图 ９ 所示，模拟前端的取样频率可经由取样 模拟前端的工作频率由 频率选择器 ＡＤＣＣＫ〔０〕设置， ＨＳ＿ＤＣＫ 或是 ＬＳ＿ＣＫ 提供， 其最高取样频率不可大 而最低取样频率不可小于为 ２５ＫＨｚ。较 于 ３００ＫＨｚ， 快的取样频率可在相同的输出速度下得到较好的分 辨率， 但输入阻抗也会降低。当 ＨＳ＿ＤＣＫ 频率超过 最大允许值时则必须透过取样频率预除频器 ＡＤＣＳ 〔２：０〕进行频率调整。图 ８ 说明模拟前端电路的框图。模拟前端电路 包 含 高 分 辨 率 超 取 样 ∑－ Δ 模 数 转 换 器（Ｏｖｅｒ 具有 ２４ 位的输出。 其包含多功 Ｓａｍｐｌｉｎｇ ∑－ ΔＡＤＣ， 能的输入多任务器、输入缓冲器与前置可编程增益 放大器、 二阶的 ∑－ Δ 调制器（Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、 梳形滤 波器 （Ｃｏｍｂ Ｆｉｌｔｅｒ）等 ４ 部分。图 9 模拟前端的工作频率 图 8 模拟前端电路模块图可编程增益放大器的放大倍率可经由倍率调整 输入缓冲器包含待测信号缓冲 器 ＰＧＡＧＮ〔１：０〕设置。 器及参考电压缓冲器， 分别透过 ＩＮＢＵＦ〔０〕及 ＶＲＢＵＦ 〔０〕的设置来启动其功能。当启用低噪声可编程增益 放大器时，则待测信号缓冲器的设置将无效即内部 硬件线路会自动关闭待测信号缓冲器。且使用待测 信号缓冲器时， Δ 调制器的放大倍率必须小于 ∑－ 或等于 ４ 倍，当信号放大倍率高于 ４ 倍时会有量测 上的误差。使用输入缓冲器可使得模拟前端电路具其中多功能的输入多任务器可切换选择多组不 同的输入信道，单一芯片可做多种量测，输入多任务 器会产生两组差动输出信号， 分别为待测信号 ＳＩ＋、 ＳＩ－ 与参考电压 ＶＲ＋、 ＶＲ－ 两组。 输入通道可做反转 及短路，消除 ＡＤＣ 的零点偏移。内置温度传感电路 输出电压。 前置可编程增益放大器及输入缓冲器的前置低 噪声可编程增益放大器倍率有 ２、 ８ 倍，且输入噪 ４、11 ５４ （总第 １６２ 期） 2012· ·http： //&&&&ＣＩＣ 中国集成电路China lntegrated Circult设计有高输入阻抗，在对于大输出阻抗信号的量测可以 避免因阻抗匹配问题造成测量上的误差。但缓冲器 本身存在零点偏差及限制输入信号之共模电压范 围。 模拟前端电路采用二阶的 ∑－ Δ 调制器，∑－ Δ 调变器经前置可编程增益放大器及调制器本身的倍 率偏压调整后， 其等效的待测信号 ΔＳＩ＿Ｉ 与等效参 考电压 ΔＶＲ＿Ｉ 的计算公式分别如下： ΔＳＩ＿Ｉ ＝ ＰＧＡＧＮ ｘ ＡＤＧＮ ｘ ΔＳＩ ± ＋ ＤＣＳＥＴ ｘ ΔＶＲ±） （ ΔＶＲ＿Ｉ ＝ ＶＲＧＮ ｘ ΔＶＲ± （４） （５）图 10 绝对温度传感器电路模块ＩＮＬ＝ 〔１１１〕 测量电压信号 ＶＴＰＳ１。在同一温度 〔１１０〕、 ＴＡ （℃）下， 模拟前端电路测量得到 ＶＴＰＳ０ 与 ＶＴＰＳ１ 的 数值后， 将两数相加并取平均值即可求得在温度 ＴＡ 下测得温度传感器相对应的电压值 ＶＴＰＳ＠ＴＡ。温度传 感器的输出电压 ＶＴＰＳ 对温度变化为一线性曲线， 故 可推导得出增益值 ＧＴＰＳ （或称斜率）公式： ＧＴＰＳ ＝（ＶＴＰＳ＠ＴＡ － ＶＴＰＳ＠０°Ｋ ）／ 〔 ２７３．１５＋Ｔｏｆｆｓｅｔ ＋ ＴＡ）－ ０〕 （ ＝ ＶＴＰＳ＠ＴＡ ／ ２８９ ＋ ＴＡ （６）为了使 ∑－ Δ 调制器的输出得到较高的分辨 率及线性度，建议将等效的参考电压 ΔＶＲ＿Ｉ 落在 ΔＶＲ＿Ｉ ＝ ０．８Ｖ￣１．２Ｖ，而等效的待测信号 ΔＳＩ＿Ｉ 则操 作在 ΔＳＩ＿Ｉ ＝ ±０．９Ｖ ｘ ΔＶＲ＿Ｉ 之间 ∑－ Δ 调制器输出 １ 位数据至二阶梳形滤波 器， 再由梳形滤波器转成 ２４ 位的数值存放于 ＡＤＣＲ 〔２３：０〕缓存器。ＡＤＣＲ〔２３：０〕数据的更新速率即为模拟 前端的输出速率，计算方式为模拟前端取样频率与 模拟前端输出频率比值，模拟前端输出速率频率又 称为过采样率 （ＯＳＲ， Ｏｖｅｒ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｒａｔｉｏ）。4 红外测温仪的方案设计4. 1 系统的硬件设计3. 3 绝对温度传感器我们可以使用芯片内部的温度传感器 （如图 １０ 所示）来测量环境温度， 根据测量到的环境温度进 行补偿。绝对温度传感器由二极管 （ＢＪＴ）组成， 其 电压信号对温度的变化为一通过 ０°Ｋ 曲线，其具 以下特色： （１）温度传感器在环境温度为 ０°Ｋ 时其输出 的电压值 ＶＴＰＳ＠０°Ｋ ＝０Ｖ （２） 透过测量方 式可使得模 拟数字 转 换 器 ＡＤＣ 的偏移电压 （ＶＡＤＣ－ ＯＦＦＳＥＴ） 与 ＢＪＴ 之不对称性 （ＩＳ１≠ＩＳ２）自动抵消 （３）校正温度仅需单点校正 模拟前端电路启用时， 温度传感器就随之启动。 输 入 信 号 选 择 器 ＩＮＨ 〔２：０〕与 ＩＮＬ〔２：０〕， 置 ＩＮＨ＝ 设 〔１１１〕、 ＩＮＬ＝〔１１０〕测 量 电 压 信 号 ＶＴＰＳ０， 设 置 ＩＮＨ＝ 而由本文提出 ＳｏＣ 芯片实现红外测温仪的应用 电路如图 １１ 所示， 历史数据包含温度值及测试日期 这两个信息， 需要 ８ 个字节 （Ｂｙｔｅ）来保存。本系统 选取有 ２０４８ 字节存储空间的 ＥＥＰＲＯＭ（２４ＬＣ０２） 芯片， 最多能够存储 ２５６ 个历史数据。２４ＬＣ０２ 的存 储空间可以由使用者决定参数意义与数量，再由 ＳｏＣ 芯片的程序设定与控制需要储存何种参数， 例 如 ２４ＬＣ０２ 也能储存校正参数。图 １１ 的蜂鸣器， 当 温度超过某一限定值时会发出警报。 图 １２ 描述红外温度量测电路的具体设定， 随着 目标物的热辐射不同，热电堆红外传感器会改变微 弱电压的输出。 因为本文提出 ＳｏＣ 芯片的 ＡＤＣ 精度 够高， 可以有效测量到分辨率 ０．０１℃精度的热电堆。 热电堆的规格有很多种， 有价格贵， 体积大的大信号 热电堆。也有价格较便宜， 体积小的小讯号热电堆。2012· ·（总第 １６２ 期） ５５ 11http： //&&&&设计中国集成电路China lntegrated CircultＣＩＣ（７）ＥＮＯＢ＝Ｌｏｇ２ ＩｎＦＳＲ ＲＭＳ Ｎｏｉｓｅ ＦＳＲ ＲＭＳ Ｎｏｉｓｅ Ｉｎ （２）＝但是如果 ＡＤＣ 值输出的计数值不滚动， 那就是 无噪声位数（Ｎｏｉｓｅ－ Ｆｒｅｅ Ｂｉｔｓ）， 因此无噪声位数是 ＡＤＣ 的稳定输出表现， 定义的位数运算为峰 － 峰噪 声 （Ｐｅａｋ－ ｔｏ－ Ｐｅａｋ Ｎｏｉｓｅ）与满量程范围 （ＦＳＲ）的比 值。 Ｎｏｉｓｅ Ｆｒｅｅ Ｂｉｔｓ＝Ｌｏｇ２ ＦＳＲ Ｐｅａｋ－ ｔｏ－ Ｐｅａｋ Ｎｏｉｓｅ ＦＳＲ Ｉｎ Ｐｅａｋ－ ｔｏ－ Ｐｅａｋ Ｎｏｉｓｅ （８） ＝ Ｉｎ （２）均方根噪声的计算方式：图 11 红外测温仪的应用电路ＲＭＳ Ｎｏｉｓｅ＝ｎ如果用本文提出 ＳｏＣ 芯片， 这两种规格传感器都可 以使用。 举两种传感器为例说明：ＴＳ３０５－ １０Ｃ５０ 热电 堆的电压输出范围约 ８ｍＶ，代表 ０℃￣１００℃的温度 差值是 ０．８ｕＶ／０．０１℃。Ｍ２１ 热电堆的电压输出范围 约 ２ｍＶ， 代 表 ０℃ ￣１００℃ 的 温 度 差 值 是 ０．２ｕＶ／０．０１℃。 其中，ＶＲＥＦ×姨ｎ∑ｋ＝１ＡＤＣ〔ｋ〕－ Ａｖｅｒａｇｅ ２Ｓｃａｌｅ２ｎ（９）Ｓｃａｌｅ ＝ ＡＤＣ 输出的总位数ｎＡｖｅｒａｇｅ＝∑ＡＤＣ〔ｋ〕ｋ＝１（１０）峰 － 峰噪声的计算方式： Ｐｅａｋ－ ｔｏ－ Ｐｅａｋ Ｎｏｉｓｅ ＝ 其中，图 12 红外温度量测网路设定ＶＲＥＦ× ＡＤＣＭａｘ－ ＡＤＣＭｉｎ ２Ｓｃａｌｅ（１１）ＡＤＣＭａｘ ＝ ＡＤＣ 总取样数中的最大值 ＡＤＣＭｉｎ ＝ ＡＤＣ 总取样数中最小值 ＥＮＯＢ 的 硬 件 测 试 结 构 如 图 １３ 所 示 ， 使 用 ＦＬＵＫＥ 万用表输入电压信号， 再由个人计算机传送 命令或数据到 ＥＮＯＢ ＵＳＢ 测试版，然后由 ＥＮＯＢ ＵＳＢ 测试版读写低功耗 ＳｏＣ 芯片的数据 ＳＲＡＭ 或 内置的快闪记忆体。测试得到 ＥＮＯＢ 的分辨率为 ０．１ｕＶ （ＲＭＳ Ｎｏｉｓｅ ＠ ＯＳＲ＝３２７６８）， 足够对分辨率 ０．０１℃精度的热电堆进行分辨。4. 2 AD C有效位数 （EN B O ）的测试Ｓｉｇｍａ Ｄｅｌｔａ ＡＤＣ 本身所产生的均方根 （ＲＭＳ） 噪声即为能分辨取样信号的最小电压值， 因此有效 位数是用均方根噪声 （ＲＭＳ Ｎｏｉｓｅ） 与满量程范围 （ＦＳＲ）的比值来计算， 然而均方根噪声需要取多笔 平均来运算， 取样数太少， 只能表现出那一段时间 的均方根噪声， 无法代表 ＡＤＣ 整体运算的均方根噪 声， 因此均方根噪声运算的笔数不少于 １０２４ 笔。11 ５６ （总第 １６２ 期） 2012· ·http： //&&&&ＣＩＣ 中国集成电路China lntegrated Circult设计温度补偿功能只有在 ＥＥＰＲＯＭ 中写入补偿值后才 有效， ＥＥＰＲＯＭ 区块： １０Ｈ－ １ＢＨ， １ＢＨ 中可以写入验 证值 ５ＡＨ， 这样可以判断 ＥＥＰＲＯＭ 中是否有写入补 偿值。图 13 EN B的硬件测试结构 O4. 3 系统的软件设计软件采用自上而下的模块化程序设计方法， 以 主程序为核心构建而成。红外测温仪的工作流程如 图 １４ 所示， 此程序提供 Ｍ２１ 热电堆（一般温度测 量） 及 Ｚ１１ 热电堆 （适合耳温计）两种红外传感器 的测试表， 可校正这两种传感器后测量， 校正的流程 如下： （１）开机后显示 “－ － － ℃” ； 如果热敏 （２）按下 ＰＴ１．０ 开始正常量测模式； 电阻 （Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）和热电堆 （Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）没有经过 校正， 继续显示 “－ － － ℃” 如果热敏电阻和热电有 ； 经过校正， 显示目标温度 ＸＸ．ＸＸ℃； （３）开机后按下 ＰＴ１．５ 保持 １￣２ 秒的时间进入 ＰＴ１．６＝ｈｉｇｈ， 进行 Ｚ１１ 热电堆校 热敏电阻校正模式； 正； ＰＴ１．６＝ｌｏｗ， 进行 Ｍ２１ 热电堆校正； 在此模式下显 示热敏电阻量测温度 ＣＡＸＸ．ＸＸ℃， 此时按下 ＰＴ１．１ 可进行温度与内码切换显示；在热敏电阻校正模式 下按下 ＰＴ１．０ 可退出校正； （４）开机后按下 ＰＴ１．５ 保持 ３ 秒以上的时间进 入热电堆校正模式； ＰＴ１．６＝ｈｉｇｈ， 进行 Ｚ１１ 热电堆校 正； ＰＴ１．６＝ｌｏｗ， 进行 Ｍ２１ 热电堆校正； 在此模式下显 示热电堆测量温度 ＣｂＸＸ．ＸＸ℃， 此时按下 ＰＴ１．１ 可 进行温度与内码切换显示； 在热电堆校正模式下按 下 ＰＴ１．０ 可退出校正； 关闭温度补偿功能； ＰＴ１．７＝ｈｉｇｈ， （５）ＰＴ１．７＝ｌｏｗ， 开启温度补偿功能； （６） 正常模式下 ＰＴ１．６＝ｌｏｗ， Ｍ２１ 热电堆量测； ＰＴ１．６＝ｈｉｇｈ， 热电堆量测； Ｚ１１ （７）在正常模式下长按 ＰＴ１．０ 关机； 在关机模 式下按下 ＰＴ１．０ 开机；当目标温度不在建表范围内 则显示 “－ － － ℃” ；图 14 红外测温仪的软件程序流程图 １５ 是利用本文所介绍的 ＳｏＣ 芯片所设计红 外测温仪的样机测试板。红外测温仪样机的规格如 表 １ 所示， 这里给出应用范例计算纽扣电池的使用 时间。 对于开发板所用的特定红外传感器而言，整体 量测所需的时间为 ２ 秒。如果在医院每天使用红外 测温仪为不同病人量测 ３００ 次，成品使用 ３Ｖ 电压的 纽扣电池 ＣＲ２０３２， 额定容量为 ２１０ｍＡｈ，经过如下公 （ 足可说明 式 （７）， ８）的计算可以使用 ５．８５ 年之久， 本文所介绍的芯片确实达到超低功耗的先进水平。 平均耗电流 ＝ （系统最大操作电流 ｘ 量测次数 ｘ 每次量测 时间 ／１ 天时间）＋ 休眠电流 ＝ ４．１ｕＡ 电池寿命 ＝ 电池电量 ／ 平均耗电流 （１３） （１２） ＝（５００ｕＡ ｘ ３００ ｘ ２ｓ／ ８６４００ｓ）＋ ０．６３ｕＡhttp： //2012· ·（总第 １６２ 期） ５７ 11&&&&设计中国集成电路China lntegrated CircultＣＩＣ＝ ２１０ｍＡｈ ／ ４．１ｕＡ ＝ ５．８５ 年实验表明设计的红外耳温计采用高精度的 ＳｏＣ 芯 片和高精度的数字红外传感器，提高了设计的分辨 率达到了 ０．０１ ℃， 实现了准确测量人体耳腔温度的 目的。在临床护理、 家庭保健， 人员密集且流量大的 场合进行快速的人体温度测量具有广泛的应用前ＣＩＣ 景。参考文献图 15 红外测温仪的样机测试板 表 1 红外测温仪样品规格〔１〕 杨方英，刘丽华． 红外耳温计的临床应用观察． 护 理研究 〔Ｊ〕 ． ２００２， １６ （１）： ８－ ９ 〔２〕 李泉．红外光人体体表辐照系统温度自动控制系 统研究〔Ｄ〕．秦皇岛： 燕山大学， ２００６ 〔３〕 何勇， 王生泽．光电传感器及应用〔Ｍ〕．北京： 化学 工业出版社， ２００４： ２３５～２５６ 〔４〕 朱思明，陈启盛，庄秦元． 生理学〔Ｍ〕 ．南京：东南大 学出版社，１９９１． １２５．5 结论由于流行性疾病经常突然爆发，传统的体温测 量方式已经不能满足人体温度的测量要求。本文介 绍一款为红外测温仪的应用而设计的高精度，低功 耗 ＳｏＣ 芯片。片 内 集 成 了 高 精 度 的 ∑－ Δ ＡＤＣ， ＥＥＰＲＯＭ 与一次性可编程程序存储器， 所以成本较 分离器件的方案低，简化了硬件和软件设计任务。作者简介博士研究生， 主要研究方向为 ＳｏＣ集成电路 陈宏铭， 设计； 李水竹， 应用工程课， 经理， 宏康伊科技 （深圳）； 陈宏维， 研究发展处， 资深经理，厷 康科技 （台北）； 纟 程玉华， 教授， 博士生导师， 主要研究方向为 ＳｏＣ 集 成电路设计。Maxi m正式发布新品牌形象及相关策略Ｍａｘｉｍ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ， Ｉｎｃ 正式发布 Ｍａｘｉｍ 新品牌形象及相关策略。新的品牌标识行动包 日前， 括： 公司名称由 “Ｍａｘｉｍ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ” 简化为“Ｍａｘｉｍ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ” 并采用涵括“Ｍａｘｉｍ”五个英文 ， 字母的新标识， 以及整个视觉识别系统色彩的改变。 外观设计的变化是为了反映 Ｍａｘｉｍ 业已发生以及正在经历的改变，这些改变旨在帮助客户成功应 对复杂的系统和架构问题； 并将更好地展现 Ｍａｘｉｍ 的文化及价值观， 正是 Ｍａｘｉｍ 每天在客户服务中所体 现的精神： 勇于创新、 一个 Ｍａｘｉｍ、 不断前进、 与众不同， Ｍａｘｉｍ 远远超越了产品创新本身。 让 Ｍａｘｉｍ 大大加快高集成产品的开发， 以此充实此前由单一功能模块组成的产品线； 着力加强分销渠 道、 将产品平均交付周期缩短为 ６ 周 （较以前的交货期缩短近 ３０％）； 强化以客户为中心的理念等。 这些 改变将带来模拟技术产品如何应对市场变化需求的全新理念， 并诠释公司模拟整合的未来发展方向。 （来自 Ｍａｘｉｍ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）11 ５８ （总第 １６２ 期） 2012· ·http： //}