DSl8B20構成的多點溫度測量系統的設計

在傳統的溫度測量系統設計中,往往采用模擬技術進行設計,這樣就不可避免地遇到諸如引線誤差補償、多點測量中的切換誤差和信號調理電路的誤差等問題;而其中某一環節處理不當,就可能造成整個系統性能的下降。隨著現代科學技術的飛速發展,特別是大規模集成電路設計技術的發展,微型化、集成化、數字化正成為傳感器發展的一個重要方向「1」。美國Dallas半導體公司推出的數字溫度傳感器DSl8820,具有獨特的單總線接口,僅需要占用一個通用I/O端口即可完成與微處理器的通信;在－10～＋85℃溫度范圍內具有±0.5℃精度;用戶可編程設定9～12位的分辨率。以上特性使得DSl8820非常適用于構建高精度、多點溫度測量系統。

1 DSl8B20簡介

1.1 DSl8B20的特點

DSl8820是美國Dallas半導體公司繼DSl820之后最新推出的一種改進型智能數字溫度傳感器［2］。與傳統的熱敏電阻相比,它能夠直接讀出被測溫度,并且可根據實際要求通過編程實現9～12位的數字值讀數方式;可以分別在93.75 ms和750 ms內完成9位和12位的數字量;從DSl8820讀出信息或寫入DSl8820信息僅需要1根口線(單線接口);溫度變換功率來源于數據總線,總線身也可以向所掛接的DSl8820供電,而無需額外電源。使用DSl8820可使系統結構更趨簡單,可靠性更高。DSl8B20在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DSl820有了很大的改進。

1.2 DSl8B20內部結構及工作原理

DSl8B20的內部結構「3」如圖1所示,主要包括寄生電源電路、64位只讀存儲器(ROM)和單線接口、存儲器和控制邏輯、存放中間數據的高速暫存存儲器、溫度傳感器、報警上限寄存器TH、報警下限寄存器TL、配置寄存器和8位CRC(循環冗余校驗碼)發生器。

DSl8B20的核心是其數字溫度傳感器,精度可以通過用戶編程配置為9、10、11和12位,其分別對應于O.5℃、O.25℃、O.125℃和O.062 5℃,可以滿足各種不同的分辨率要求。開始一次溫度轉換時,微處理器需要向DSl8B20發出Convert T指令。轉換完成之后,該溫度數據存放在高速暫存存儲器的溫度寄存器中,占用2字節,并且DSl8B20返回到空閑狀態。當DSl8B20采用外部供電方式時,主機可以在發送溫度轉換指令后發起一次讀時隙。若此時該DSl8820已經完成溫度轉換,它將會返回"1",否則返回"O"。

2 溫度測量系統設計

由DSl8B20和美國Microchip公司推出的PIC單片機PICl8F8620以及相關外圍電路組成的高精度、多點溫度測量系統的結構框圖如圖2所示。系統采用6片DSl8820構成小型溫度傳感器網絡,通過單線連接方式連接至微處理器的通用I/O端口RBO。其中DSl8B20的分辨率為11位模式,即0.125℃。微處理器通過單線協議與溫度傳感器網絡實現通信。微處理器獲得溫度信息后,通過特定的算法,將處理后的溫度信息通過USB口或RS485接口傳送至上位機。

2．1 DSl8820的自動搜索算法「4」

由于系統中使用了多片DSl8B20構成溫度傳感器網絡,因此,如何準確、有效地對每一溫度傳感器進行尋址成為該系統設計的一個核心問題。結合DSl8B20的實際特點和系統的需求,提出如下解決方案:首先利用DSl8B20的內部報警上限寄存器(如圖1所示,以下簡稱"TH寄存器")存放溫度傳感器的編號,并將其編號貼在溫度傳感器表面。由于TH寄存器具有掉電不丟失數據功能,因此,便把每片DSl8B20的唯一64位注冊碼及其編號一一對應起來。這一過程需要對DSl8B20進行單獨編程。然后,將確定好編號的溫度傳感器接入單線網絡,利用DSl8B20特有的單線網絡自動搜索功能,即可搜尋到每片DSl8B20的注冊碼,再利用該注冊碼和相應的ROM操作指令,即可從每片DSl8B20的TH寄存器中讀出相應的設定編號,實現每片DSl8820的尋址功能。下面重點介紹一下該自動搜索功能。

每片DSl8B20有唯一的64位注冊碼,存儲在只讀存儲器(ROM)中,其結構如下:

其中低8位是產品的工廠代碼(DSl8B20為28H),接著是每個器件的唯一序號,共48位,最高8位是前56位的循環冗余校驗碼。這就準許總線主機對總線上特定的DSl8B20進行尋址。只有與64位注冊碼嚴格相符的DSl8B20,才能對后續的操作作出反應。所有與64位注 冊碼不符的DSl8B20將等待復位脈沖。

搜索算法首先通過復位和在線應答脈沖時隙將單線總線上的所有DSl8B20復位。成功地執行該操作后發送1字節的搜索命令,使所有連接到單總線的DSl8B20準備就緒,開始進行搜索操作。搜索命令發出之后,開始實際的搜索過程。

首先,總線上的所有DSl8B20同時發送注冊碼中的第1位(最低有效位,參見上述DSl8B20內部64位注冊碼結構)。按照單總線的特性,當所有DSl8B20同時應答主機時,結果相當于全部被發送數據位的邏輯"與"。DSl8B20發送其注冊碼的第1位后,主機啟動下一位操作,接著DSl8B20發送第1位數據的補碼。從兩次讀到的數據位可以對注冊碼的第1位作出幾種判斷,如表1所列。

然后,主機向總線上的所有器件發回一個指定位。如果DSl8B20中注冊碼的當前位的值與該數據位匹配,則繼續參與搜索過程;若DSl8B20的當前位與之不匹配,則該器件轉換到等待狀態并保持等待狀態,直到下一個復位信號到來。其余63位注冊碼的搜索依然按照這種讀2位寫1位的模式進行重復操作。按照這種搜索算法進行下去,最終除了唯一一個DSl8B20外,所有DSl8B20將進入等待狀態,經過最后一輪檢測就可得到最后保留未進入等待狀態的DSl8B20的注冊碼。在后續搜索過程中選用不同的路徑或分支來查找其他器件的注冊碼,即可完成所有器件注冊碼的識別。

2.2軟件系統設計

系統軟件采用C語言編寫。在中斷服務程序中,實現用戶輸入以及和上位機的接口功能;在主程序中,實現溫度傳感器網絡的自動搜索、編號排序、獲取溫度信息,并根據預先設定的溫度上下限,實現相應的報警功能「5」。該系統中,根據不同的分辨率要求,DSl8B20的分辨率可通過編程設定,最高分辨率為12位,即O.062 5℃,可滿足高精度設計要求。同時,由于設計中使用傳感器網絡的自動搜索算法,因此,當對網絡中的溫度傳感器作出調整(如更換、添加、刪除等操作)時,系統具有很強的自適應能力.系統軟件流程如圖3所示

3 結 論

在傳統的溫度測量系統中,往往采用模擬的溫度傳感器進行設計,必須經過A/D轉換后才可以被微處理器識別和處理。這樣的設計方法不僅對前端模擬信號處理電路提出了更高的要求,而且不具有數字通信和網絡功能。本文結合DSl8B20的新特性和現代溫度測量系統提出的新要求,提出了基于智能數字溫度傳感器DSl8B20的高精度、多點溫度測量系統設計方案。該方案具有安裝方便、數字化程度高、精度高、適應性強等特點,在多種溫度檢測中具有廣闊的應用前景。