Temperatursensoren: Das will wirklich kein Entwickler.

Das will wirklich kein Entwickler. (Bild: Microchip)

| von Bryce Morgan

Standard-I2C-Temperatursensoren, die zum LM75-Protokoll kompatibel sind, enthalten vier grundlegende interne Register, nämlich Zeigerregister (Pointer), Konfigurationsregister, Hochtemperaturgrenzwert-Register (THIGH) und Tieftemperaturgrenzwert-Register (TLOW).

Temperatursensoren: Das will wirklich kein Entwickler.

Das will wirklich kein Entwickler. Microchip

Über diese Register lassen sich die Betriebseinstellungen des Temperatursensors während der Initialisierung durch den Host-Controller nach dem Einschalten anpassen – mit Ausnahme des Temperaturregisters, doch dazu später mehr. Das Zeigerregister erlaubt den Zugriff auf eines der vier Register durch indirektes „Zeigen“ auf das ausgewählte Register. Die Konfigurations-, TLOW- und THIGH-Grenzwert- und Temperaturregister können nicht direkt über I2C-Softwarebefehle aufgerufen werden, sondern nur über das Zeigerregister (Bild 2).

Temperatursensoren: Bild 2: Standardregister in Temperatursensoren mit digitalem Ausgang.

Bild 2: Standardregister in Temperatursensoren mit digitalem Ausgang. Microchip

Das Konfigurationsregister steuert wichtige Betriebsmodi und Sensoreinstellungen wie die Genauigkeit der Temperaturmessung, die Fehlertoleranz-Warteschlange, die Polarität des Alert-Anschlusses, den Alarm-Thermostat-Modus und den Shutdown-Modus. Einige Sensoren am Markt bieten auch einen One-Shot-Modus. Dieser Energiesparmodus aktiviert den Sensor aus dem Standby-Modus, um eine  Temperaturmessung durchzuführen, das Temperaturregister zu aktualisieren und wieder in den Standby-Modus zurückzukehren.

Das Temperaturregister ist ein schreibgeschütztes Register (Read-Only), das den digitalisierten Wert der letzten Temperaturmessung speichert und jederzeit einfach gelesen werden kann, um die aktuelle Temperatur zu ermitteln. Da die Temperaturmessungen im Hintergrund erfolgen, beeinflusst das Lesen keinen anderen gerade laufenden Vorgang.

Die TLOW- und THIGH-Grenzwertregister speichern die einstellbaren unteren und oberen Temperaturgrenzwerte für den Temperaturalarm. Bild 3 beschreibt ein typisches Temperaturprofil. Stellt ein Anwender die TLOW- und THIGH-Register zum Beispiel auf 50 beziehungsweise 85 °C ein, dann setzt der Temperatursensor Flags und steuert seinen Ausgangspin an, um den Host-Controller zu benachrichtigen, dass ein Grenzwert überschritten wurde.

Anforderungen nichtflüchtiger Speicherregister

Temperatursensoren: Bild 3: Temperaturmessungen im Überblick, einschließlich Temperaturwerten außerhalb der TLOW- und THIGH-Grenzwerte.

Bild 3: Temperaturmessungen im Überblick, einschließlich Temperaturwerten außerhalb der TLOW- und THIGH-Grenzwerte. Microchip

Beim Einstellen dieser Register ist zu beachten, dass diese benutzerprogrammierbaren Register flüchtige Speicherregister sind. Die im Register gespeicherten Datenwerte gehen somit verloren, sobald die Stromversorgung abgeschaltet wird. Da bei jedem Einschalt-/Initialisierungsvorgang des Systems eine Aktualisierung dieser flüchtigen Speicherregister erforderlich ist, kann ein risikoreiches, unzuverlässiges Timing-Event dazu führen, dass diese Register versehentlich falsch konfiguriert und auf falsche Einstellungen gesetzt werden, die im Gerät eine übermäßige Wärmeentwicklung (Thermal Runaway) verursachen. Je nachdem wie oft das Gerät eingeschaltet wird, kann dies hunderte, bei anderen tausende Male sein, was die Wahrscheinlichkeit von Fehlern während des Einschaltvorgangs erhöht. Dies ist ein bedeutender Aspekt, der zu beachten ist.

Im erwähnten Beispiel mit den TLOW- und THIGH-Grenzwertregistern, die auf 50 beziehungsweise 85 °C eingestellt sind, muss man sich fragen, was passiert, wenn das THIGH-Register versehentlich auf 185 °C eingestellt wird, zum Beispiel aufgrund von (elektromagnetischen) Störungen während des Einschaltvorgangs? Dabei muss nur ein digitales Bit den Logikzustand „1“ bekommen. Dieses unerwünschte Ereignis führt vielleicht nicht gerade dazu, dass sich das System derart überhitzt, dass es in Brand gerät. Sicher ist aber, dass sich die Systemleistung verschlechtert und das System eventuell ausfällt. In vielen Geräten finden heute beim Einschalten zahlreiche Vorgänge statt, unter anderem das Timing großer Funktionsblöcke und Baugruppen innerhalb des Gerätes. Die Ablaufsteuerung dieser Ereignisse ist besonders wichtig, um den richtigen Betrieb zu gewährleisten.

Dies führt zur nächsten Frage: Wie oft haben Kunden Produkte zur Fehleranalyse zurückgegeben, ohne dass sich der Fehlermodus reproduzieren lässt? Das Produkt ist laut Werkstest voll funktionsfähig und geht zurück an den Kunden mit dem Vermerk „Kein Problem gefunden“. Bei einem sorgfältigen Produktdesign sollte deshalb auch die Frage auftauchen, welche möglichen Ausfallmodi beim Endkunden auftreten können. Das Design oder bestimmte Funktionen bei der Produktvalidierung sollten diese potenziellen Ausfallursagen beseitigen, bevor das Gerät auf den Markt kommt. Beim Einsatz diskreter Temperatursensoren – unabhängig vom Protokolltyp oder der Technologie – ist dies zu berücksichtigen.

 

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Nichtflüchtige Speicherregister in Temperatursensoren

Eckdaten

Bestimmte Design-Erwägungen spielen beim Wärmemanagement eine wichtige Rolle. Flüchtige Speicherregister sorgen seit Jahren für Kopfzerbrechen bei Entwicklern. Neue digitale Temperatursensoren, wie Microchips AT30TS750A, enthalten nun nichtflüchtige Speicherregister, die eine einfachere Entwicklung ermöglichen und die Aspekte eines fortschrittlichen Wärmemanagements berücksichtigen.

Eine mögliche Lösung für diese Probleme besteht darin, einen Temperatursensor wie den AT30TS750A von Microchip zu verwenden, der nicht nur flüchtige Register enthält, sondern auch nichtflüchtige Speicherregister (Bild 4).

Die Konfigurationsregister und die Temperaturgrenzwert-Register verfügen jeweils über nichtflüchtige Register. Die nichtflüchtigen Register erhöhen die Funktionalität des Temperatursensors, indem ein einfacher „Plug-and-Play“-Betrieb mit vordefinierten Einschaltwerten möglich wird. Die nichtflüchtigen Register behalten die Konfigurations- und Temperaturgrenzwert-Einstellungen auch nach dem Einschalten des Geräts bei, wodurch sich die Neukonfiguration des Temperatursensors nach jedem Einschalten erübrigt.

Dies erfolgt durch die Programmierung der integrierten nichtflüchtigen TLOW- und nichtflüchtigen THIGH-Grenzwertregister, beispielsweise auf 50 beziehungsweise 85 °C. Der nichtflüchtige Speicher enthält dann diese Temperaturgrenzen; er sichert so die Temperaturgrenzwerte, sodass der Temperatursensor bei den nachfolgenden Einschaltsequenzen die 50- und 85-°C-Werte einfach intern vom zuvor vorprogrammierten nichtflüchtigen THIGH- und nichtflüchtigen TLOW-Grenzwertregister in die entsprechenden flüchtigen THIGH- und TLOW-Grenzwertregister kopiert.

Temperatursensoren: Bild 4: Die Temperaturgrenzwert-Register werden beim Einschalten des digitalen Temperatursensors AT30TS750A von Microchip automatisch aus dem nichtflüchtigen Register kopiert.

Bild 4: Die Temperaturgrenzwert-Register werden beim Einschalten des digitalen Temperatursensors AT30TS750A von Microchip automatisch aus dem nichtflüchtigen Register kopiert. Microchip

Wie löst dies nun die mögliche Verfälschung der Registereinstellungen des flüchtigen Registers beim Einschalten? Ganz einfach: Der Host-Controller muss nicht mehr das Softwareprotokoll über den I2C-Kommunikationsbus senden, um die flüchtigen Register während jedes Einschaltvorgangs einzustellen, wodurch sich das Risiko einer Registerverfälschung erübrigt, da kein Host-Controller-zu-Temperatur-Software-Protokoll auftritt. Dies vereinfacht die Einschaltsequenz des Systems, und die Abhängigkeit vom Host-Controller bezüglich der Konfiguration verringert oder erübrigt sich. Das System wird somit zuverlässiger. Durch die zusätzliche Flexibilität lässt sich der Temperatursensor sogar eigenständig betreiben (anstatt über einen Host-Controller für die Gerätekonfiguration).

Eine weitere Möglichkeit, diese Lösung noch zuverlässiger zu machen, wäre, Register-Sperrfunktionen in die nichtflüchtigen Register zu integrieren – entweder mit reversiblen oder permanenten Einstellungen, um eine Fehlkonfiguration der nichtflüchtigen Register zu verhindern. Diese Register-Sperrfunktion, wie sie der AT30TS750A bietet, ermöglicht eine permanente Temperatursensor-Konfiguration und beseitigt Risiken, indem eine manipulationssichere Einstellung möglich ist. Das verringert die Produkthaftungsrisiken entscheidend. Heute ist jegliches Mittel, um die Produktzuverlässigkeit zu erhöhen und Haftungsrisiken zu minimieren, ein Gewinn für beide Seiten: den Verbraucher und den Hersteller. Das reversible oder dauerhafte Sperren der integrierten nichtflüchtigen Register verhindert, dass Änderungen an den Registerdaten möglich sind – sei es durch zukünftige Fehlkonfiguration oder Datenmanipulation. Der Wert nichtflüchtiger Register in einem Produkt wird dadurch wesentlich erhöht, genauso wie die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Systems.

Bryce Morgan

arbeitet bei Microchip

(av)

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