深入剖析LM87：硬件监控的全能之选

在电子设备的设计中，硬件监控是保障系统稳定运行的关键环节。德州仪器（TI）的LM87作为一款高度集成的数据采集系统，为服务器、个人计算机等基于微处理器的系统提供了全面的硬件监控解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款强大的芯片。

文件下载：lm87.pdf

一、LM87概述

LM87具备7个模拟输入、一个内部结型温度传感器、两个远程结温度传感通道、一个Delta - Sigma ADC（模数转换器）、一个DAC输出、2个风扇速度计数器、WATCHDOG寄存器以及各种输入输出接口，还集成了两线SMBus™串行总线接口。它能够对个人计算机的电源、温度、风扇控制和风扇监控等方面进行全面管理。

二、关键特性与规格

（一）特性

1. 温度传感：支持2通道远程二极管温度传感，同时具备片上温度传感器，可实现对内部和外部温度的精确监测。
2. 电压监测：拥有8个正电压输入，可通过缩放电阻直接监测 +5 V、+12 V、+3.3 V、+2.5 V、Vccp等电源。
3. 风扇监控与控制：2个输入可选择用于风扇速度或电压监测，还配备8位DAC输出用于控制风扇速度。
4. 其他功能：具备机箱入侵检测器输入、WATCHDOG功能，可对所有监测值进行比较，并且兼容SMBus™或I2C串行总线接口，还提供VID0 - VID4或IRQ0 - IRQ4监测输入。

（二）规格

1. 电压监测误差：最大为 ±2 %。
2. 温度误差：外部温度误差最大为 ±4 °C，内部温度在 -40 °C 至 +125 °C 范围内典型误差为 ±3 °C。
3. 供电范围：电源电压范围为2.8至3.8 V，典型供电电流为0.7 mA。
4. 分辨率：ADC和DAC分辨率均为8位，温度分辨率为1.0 °C。

三、引脚功能详解

LM87共有24个引脚，每个引脚都有其特定的功能。例如，ADD/NTEST_OUT引脚通常作为三态输入控制串行总线地址的两个最低有效位，在NAND树测试时还可作为输出；THERM#引脚可作为温度中断的开漏输出或风扇控制的中断输入；SMBData和SMBCLK分别为串行总线的双向数据和时钟线等。详细的引脚功能可参考文档中的引脚描述表格。

四、电气特性

（一）直流特性

在 +2.8 V 至 +3.8 V 的电源电压下，LM87展现出了良好的电气性能。例如，电源电流在正常模式下典型值为0.7 mA，最大为2.0 mA；温度 - 数字转换器的温度误差在不同条件下有明确的规格，如使用内部二极管时典型误差为 ±3 °C 等。

（二）交流特性

在串行总线通信方面，LM87也有严格的时序要求。例如，SMBCLK的时钟周期最小为2.5 μs，SMBCLK和SMBData的上升时间最大为1 μs，下降时间最大为300 ns等。

五、功能描述

（一）模拟输入

所有模拟输入电压都能数字化为8位分辨率。为确保安全和精度，建议在所有模拟电压输入处串联一个510 Ω的电阻。不同模拟输入的LSB大小、对应特定ADC读数的输入电压等都有详细的理论值，可通过简单的乘法运算将数字读数转换为电压值。对于负电源电压，可通过电阻分压器将其应用到AIN输入。

（二）风扇输入

FAN1和FAN2输入可接收带有转速计输出的风扇信号。这些输入是逻辑电平输入，阈值约为V+/2，能适应风扇转速计输出的缓慢上升和下降时间。风扇输入可通过内部22.5 kHz振荡器对风扇信号进行计数，从而计算出风扇转速。默认除数可通过VID/Fan Divisor寄存器进行编程。

（三）DAC输出

LM87提供一个输出范围为0至2.5 V的8位DAC，常用于风扇控制。上电时，DAC提供全输出，确保风扇以全速运行。在使用时，需注意避免将与该引脚相连的模拟电路驱动电压超过2.5 V，以免进入NAND树测试模式。

（四）温度测量系统

LM87的温度传感器和ADC可产生8位二进制补码温度数据，能监测一个内部二极管结温度和最多两个外部结温度。温度数据以8位二进制补码形式表示，LSB等于1°C。在PCB布局时，为减少噪声对温度测量的影响，需遵循一系列布局建议，如在VCC引脚附近放置0.1 μF电源旁路电容，在D+和D - 引脚附近放置2.2 nF电容等。

（五）WATCHDOG限制比较与中断结构

LM87可根据内部WATCHDOG寄存器对模拟、温度和风扇输入产生中断。中断源包括机箱入侵、THERM#输入、IRQ0 - 4等。INT#和THERM#是两个重要的中断输出，INT#系统可将多个错误信号组合成一个公共输出，THERM#则专门用于温度相关的错误条件。中断状态寄存器、中断状态镜像寄存器和中断屏蔽寄存器共同协作，实现对中断的管理和控制。

六、使用建议

（一）上电操作

上电时，LM87会对部分寄存器进行“上电复位”。通常，上电后的第一步是将WATCHDOG限制写入Value RAM。

（二）复位操作

除了编程的DAC输出外，所有寄存器值都可通过将RESET#输入拉低至少TBD ns或进行配置寄存器初始化来恢复到“上电”默认值。

（三）配置寄存器和通道模式寄存器

这些寄存器控制着LM87的操作，如启动和停止监控循环、启用和禁用中断输出、配置双功能输入等。

（四）启动转换

通过写入配置寄存器1并设置INT_Clear（位3）为低，Start（位0）为高，可启动LM87的监控功能。监控过程大约每0.3 s对所有模拟输入、温度和风扇速度输入进行一次“循环”监测。

（五）读取转换结果

转换结果存储在Value RAM中，可随时读取。但为确保数据的准确性，读取单个值的频率不应超过每56 ms一次，读取所有值时，两组值之间的读取间隔应至少为0.6秒。

七、典型应用

在PC应用中，LM87可监测温度、2个风扇的速度以及6个电源电压，还能监测光学机箱入侵检测器。同时，它提供的DAC输出可用于控制风扇速度，为系统的稳定运行提供了有力保障。

八、总结

LM87以其丰富的功能、高精度的监测能力和灵活的配置选项，成为了硬件监控领域的一款优秀芯片。无论是在服务器、工作站还是个人计算机等应用中，它都能发挥重要作用。作为电子工程师，在设计硬件监控系统时，LM87无疑是一个值得考虑的选择。你在使用LM87的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。