电子产品世界

简介

为了保持营养并确保质量和产品安全，制造商规定了包装和易腐商品（尤其是食品和药品）的运输和储存温度。 但是经过当地杂货店到达消费者手上之前，水果、蔬菜 和冷冻食品在运输期间和大型制冷设备货架上停留了大量时间，如图 1 所示。将这些商品保持在适当温度至关重要。

冷链管理将确保在包装和易腐商品的生命周期每个阶段 都满足适当条件。冷链管理还要确保操作员在运输或储 存期间发现可能发生偏离储存温度范围的情况时可以采 取适当的措施。

冷链拓扑

带有测量仪表的温度传感器长期以来一直很受欢迎。然而，随着半导体技术的进步，而且大多数冷链管理发生在 -40°C 至 +10°C 的温度范围内，集成的温度传感器成为了冷链管理的最佳选择。

根据应用，可能有不同的拓扑。如图 2 所示，在点对点拓 扑中，单个微控制器 (MCU) 连接到温度传感器，该传感器可以是模拟或数字输出传感器。在运输过程中管理货 物托盘时，点对点拓扑非常有用。

在感测一组制冷容器（如冰箱）时，由于单个 MCU 的成本太高，无法在整个系统中多次实施。在此类情况下，最 常见的拓扑是星形、共享总线或菊花链拓扑（图 3）：

• 星形拓扑可以在某一个分支出现故障时轻松实现故 障隔离。星形拓扑可以同时使用模拟和数字输出温度传感器，但由于控制器外设数量较高且系统无法充分扩展，因此实施成本较高。

• 在共享总线拓扑中，一个 MCU 充当多个传感器的主控制器。使用数字温度传感器即可轻松实现扩展。共享总线拓扑会共享线路，但仍然可以使用带内寻址（ 如 I2C 总线）或基于片选的带外信令（串行外设接口 就是这种情况）进行单独寻址。然而，I2C 面临的问题 可能是长链上的可靠电力输送和信号完整性。

• 菊花链不需要带外信令，而是使用带内寻址方案。一 个链的每一级充当下一个链的缓冲器，因此可以改善更长距离的信号完整性。

无论处于冷链管理的哪个监测阶段，电子系统都具有独特的优势，因为它们不仅可以记录托盘或制冷设备的温度，还可以提供阈值以便在超过特定阈值时发出警报。此类事件可通过声音或视觉警报（如蜂鸣器或闪烁的 LED 指示灯）的形式直观地传达给操作员，还可使用有线或无线 MCU 集成到云服务中，从而实现全天候监测和数据记录 。

图 4 显示了 9,600bps 的通信接口的信号完整性。SMAART wire ^TM 数字接口使用通用异步接收器/发送器总线，这是几乎所有 MCU 上的标准外设，因此可以更轻松地开发软件。同时，菊花链实现方案更便于识别电缆断裂的位置，因此更容易维护和提高整体系统可靠性。

器件建议

TMP107 数字输出温度传感器支持总共 32 个菊花链器 件，可在需要高精度和系统范围扩展性的冷链管理应用中替代NTC 热敏电阻。TMP107 在 -20°C 至 +70°C 温度 范围内的最高精度规格为 ±0.4°C，在 -40°C 至 +100°C 范围内为±0.55°C，且温度分辨率为 0.015625°C。

凭借自动地址分配功能，TMP107 允许系统开发人员在编写软件时无需为每个传感器节点分配地址，因为系统会通过添加额外的传感器节点进行扩展。同时，通过使用推挽式通信输入/输出，系统可以更好地抵抗噪声，防止噪声影响长电缆上的温度值。这种弹性使得链中相邻器件之间跨度为 1,000 英尺的数据传输成为可能。

使用有源总线通信执行温度转换时，TMP107 的电流消耗通常为 300μA。在低功耗模式下的关断电流为 3.8μA。 该器件具有 1.7V 至 5.5V 的宽工作电压范围，由于电流消耗很低，因此非常适合用于冷链管理运输阶段的电池 供电型系统。提高波特率可实现实时更新，有助于储存冷冻食品。

此外，TMP107 将配置和温度限制存储在内部非易失性存储器中。因此，该器件可以在上电时自动配置，进而无需单独进行器件配置，并可提高系统运行速度。该器件还具有八个电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM) 位置， 提供高达 128 位的 EEPROM 来存储用户信息或校准信息。

菊花链拓扑是实现高效冷链温度监测的最佳方式。TMP107 实现了精度、功耗和功能的完美结合，可支持基于电池的冷链管理系统。

表 1 列出了此实现方案的备选器件建议。

有关此主题的更多信息，或有关冷链市场的一般性建议， 请参阅表 2 中的相关内容。

了解患者的体温是任何临床诊断的关键第一步，也是运 动员的重要关注点。除了要求超高精度外，行业正朝着紧 凑型可穿戴设备的方向发展，以提供持续的温度监测。精 度高达 0.1°C 的温度传感器不仅符合美国材料与试验协 会 (ASTM) E1112 对医用温度计的要求，而且还经过优化，可使电池供电的可穿戴设备保持紧凑和舒适。

可穿戴式温度传感的设计挑战

简介

在临床环境中监测患者生命体征通常是需要经过严格校准的昂贵系统所执行的工作，需要将患者束缚在临床监护仪旁边。无线患者监测系统可提供患者舒适性和临床便利性，只要仍然符合严格的医疗标准即可。

在设计可穿戴式温度监测仪时，需要在功耗、尺寸、系统性能（射频 [RF] 和精度方面）和患者舒适度之间进行许多权衡。例如，更轻薄、更柔软的电池提供更大的舒适性， 但可能需要更精心的电源管理。

更小、更低成本的设计需要在隔热和射频性能方面做出牺牲。用于长期监测的解决方案必须充分利用电路板面 积来提高精度和信号完整性，同时尽可能降低电流消耗。 系统设计人员必须平衡这些要求以及患者的舒适度和体验。

温度计的合规性

美国材料与试验协会 (ASTM) E1112 和国际标准化组织 (ISO) 80601-2-56:2017 是间歇性电子式患者温度计的监管标准。对于符合 ASTM E1112 标准的临床温度测量应用，体温监测仪必须能够产生 ±0.1°C 精度的读数，还必须读取并显示最低 35.8°C 至 41.0°C 的温度。至少，任何温度监测设计都应该包括一个能够在校准后满足这些要 求的传感元件。

TI 建议对可穿戴式温度监测仪使用 TMP117 超高精度数字温度传感器。该器件本身在 25°C 至 50°C 温度范围内的精度优于 0.1°C，无需校准即可满足 ASTM E1112 和 ISO 80601-2-56:2017 的要求。此外，TMP117 的低总电流消耗和单次触发模式非常适合电池供电的应用。与基于电阻温度检测器 (RTD) 或热敏电阻的解决方案相比，TMP117 的数字 I2C 输出还极大地简化了系统设计。

布局注意事项

即使采用合适的传感元件，确保整体系统精度仍然需要仔细进行电路板布局。若要监测皮肤温度，最佳布局应满足以下条件：

• 最大限度提高传感元件和其他器件之间的隔热能力。

• 最大限度降低温度传感元件周围的热质量以加快响应速度。

• 在患者和传感元件之间提供良好的热接触，使传感器和目标之间的温度梯度最小化。

优化隔热和热质量

图 1 显示了一个皮肤温度监测系统示例。TMP117 数字温度传感器使用窄臂从印刷电路板 (PCB) 的其余部分进行延伸，从而最大限度减少电路板其余部分的热传导。

图 2 显示了相同双层柔性 PCB 的叠层。使用柔性板有助于减少总体热质量，从而改善患者监测仪的热响应时间。 在电路板顶部和底部之间省略铜填充会阻止从 TMP117 吸走热量并增加热质量。

热接触

为了对患者皮肤温度进行可靠测量，需要被监测患者与传感器件之间实现良好的热接触。这种热接触与电路板其余部分的热隔离相互配合，可确保报告的温度尽可能接近患者的实际皮肤温度。使用 TMP117，牢固的覆铜和接触过孔可以在电路板下面提供导热路径，如图 3 所示。 焊盘与穿戴者的皮肤直接接触，并确保该器件的主要热源来自被监测者。

自发热

无论选择何种传感元件和布局，鉴于医用温度计的严格精度要求，均需要了解器件自发热影响。由于所选的传感元件会发生电阻损耗，因此始终存在一定程度的自发热。TMP117 可配置为单次触发模式转换，并可在连续读取之间保持关断模式，从而最大限度减少自发热。TMP117 的单次触发特性可以使用可配置数量的平均读数来触发各个温度读数。人体温度通常不会在大约几秒钟内就出现变化，因此以 10 到 60 秒的间隔读取这些读数足以长时间监测患者体温。此方法还具有延长系统有效电池寿命的额外好处。

系统功率

电源要求将根据整体系统设计而有所不同，但大多数无线患者监测仪需要有足够的能量存储，确保能维持数年的货架期，并至少有 48 至 72 小时的有效使用寿命。纽扣电池轻而易举就能满足这些能量要求，但它们是完全刚性的，可能会让患者感到不舒服。在一次性贴片中，基于纽扣电池的解决方案可能非常浪费。

另一种能量存储选择是使用薄膜柔性电池。由于这些电池的存储容量很小，若要使用这些电池，总系统功耗必须极小。如果仅进行间歇性温度监测，使用柔性电池供电的系统可以轻松满足具体应用的电池要求，可确保数年的货架期和 48 至 72 小时的有效使用时间。

进行系统权衡

虽然遵循布局建议对于满足 ASTM E1112 和 ISO 80601- 2-56 标准至关重要，但还有其他系统设计注意事项。为了使患者感到舒适，最好将非温度监测器件和射频区域 保持在尽可能小的面积内。保持电路板的填充区域紧凑有助于减小监测仪上使患者感到僵硬的区域。

对于射频通信，任何能在柔性 PCB 上工作的无线协议都是可行的。由于大多数可穿戴式患者监测仪都希望保持低功耗，因此 TI 建议使用低功耗 Bluetooth^® 无线通信链路。如果从监测仪发送的信息只有温度，则可以将监测仪配置为连同其配对 ID 一起广播温度读数。以这种方式发送信息消除了建立和维持实际连接的必要，甚至可进一步降低系统功耗。

要获得有关此主题的更多信息，或有关测量温度的一般性建议，请参阅表 1 中的相关 TI 内容。

关键词： 温度传感器 概述