微型溫度測(cè)量的數(shù)字化方案

1.2 DS18B20U的“一線”總線標(biāo)識(shí)序號(hào)
    每一個(gè)DS18B20U都有一個(gè)唯一的64位的“一線”總線標(biāo)識(shí)序號(hào)，存放在DS18B20U的內(nèi)部ROM（只讀存儲(chǔ)器）中。開始8 位是產(chǎn)品類型編碼（DS18B20編碼均為28H），接著的48位是每個(gè)器件的唯一序號(hào)，最后8位是前面56 位的CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）碼。
1.3 DS18B20U的溫度數(shù)據(jù)表示格式
    DS18B20U中有用于存儲(chǔ)測(cè)得溫度值的兩個(gè)8 位寄存器，它們存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù)由兩個(gè)字節(jié)組成，分別為 LS Byte（低字節(jié)）和 MS Byte（高字節(jié)），如表2所示。MS Byte的高5位存放溫度值的符號(hào)，如果溫度為負(fù)(℃)，則MS Byte的高5位全為1， 否則全為0。LS Byte的8位和MS Byte的低3位用于存放溫度值的補(bǔ)碼，LSB(最低位)為1表示0.0625 ℃。將寄存器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)，就得到了被測(cè)溫度值(-55℃～+125℃) 。

    表3舉例說(shuō)明了寄存器值和溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.4 DS18B20U的供電方式
    DS18B20可以設(shè)置成兩種供電方式,即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導(dǎo)線,但由此帶來(lái)的缺點(diǎn)是完成溫度測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)；而采取外部供電方式則多用一根導(dǎo)線,但測(cè)量速度較快。注意：采用超小型μSOP 封裝的DS18B20U不適合使用數(shù)據(jù)總線供電方式。
1.5 DS18B20U的多路同步測(cè)量
    每一片DS18B20在其ROM 中都存有唯一的48位序列號(hào)，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中。
    如圖1所示，當(dāng)主機(jī)需要對(duì)眾多在線DS18B20中的某一個(gè)進(jìn)行操作時(shí)，首先發(fā)出匹配ROM 命令（命令代號(hào)55h），緊接著主機(jī)提供64 位序列號(hào)（包括該DS18B20的48位序列號(hào)），之后的操作就是針對(duì)該DS18B20的。但是DS18B20的命令中允許對(duì)所有在線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一操作，利用的是跳過(guò)ROM命令（命令代號(hào)CCh）。而所謂跳過(guò)ROM命令即為：之后的操作是面對(duì)總線上所有DS18B20的。命令序列先跳過(guò)ROM，啟動(dòng)總線上所有DS18B20進(jìn)行溫度測(cè)量，然后通過(guò)匹配ROM再逐一地讀回每個(gè)DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。這種方式使采集的溫度數(shù)據(jù)具有很好的同步性，而且節(jié)省時(shí)間。

2 “一線”網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)
    為了收集DS18B20U器件采集的溫度信息，需要控制掛接在“一線”總線網(wǎng)絡(luò)上的DS18B20U芯片，所以需要研制“一線”網(wǎng)關(guān)^[2～3]。“一線”網(wǎng)關(guān)的主要功能就是面對(duì)試驗(yàn)人員，把“一線”總線上的DS18B20U的信息轉(zhuǎn)換成異步串口232接口上的信息，這相當(dāng)于兩種類型網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)，因此叫做“一線”網(wǎng)關(guān)。“一線”網(wǎng)關(guān)由一個(gè)功能強(qiáng)大的8位單片機(jī)P89C668組合各種外圍芯片構(gòu)成，各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。下面介紹其設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

2.1 寬的工作溫度范圍
    為了不僅能夠通過(guò)“一線”總線采集溫度信息，而且能夠在工作現(xiàn)場(chǎng)或試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)可靠工作，需要系統(tǒng)至少能夠在80℃以上的高溫環(huán)境下可靠工作，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)工作溫度范圍予以重視。
2.2 強(qiáng)的抗外界電磁干擾性能
    工作在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，總是面對(duì)比較強(qiáng)烈的電磁干擾，因而需要采取更有效的措施。
    首先，在外部供電的輸入接口應(yīng)加入二極管橋保護(hù)電路，防止在一些特殊條件下出現(xiàn)的電流逆向問(wèn)題，同時(shí)也使得內(nèi)外電路的地線隔離，起到抗干擾作用。
    由于系統(tǒng)需要和外部設(shè)備進(jìn)行串口通訊，而232串口的電氣接口需要地線作為參考電平（因?yàn)橥庠O(shè)系統(tǒng)帶來(lái)的電磁干擾可能通過(guò)相連地線傳入系統(tǒng)，引起工作異常）,因此必須使用完全光耦隔離的方法來(lái)提高抗干擾能力。采用光耦隔離器件可抑制電磁干擾，保護(hù)系統(tǒng)電路不受網(wǎng)絡(luò)影響。串口的二線式通訊需要兩個(gè)光耦節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)兩側(cè)需有獨(dú)立的供電電源。光耦器件應(yīng)該選擇高速類型，例如TLP113，以滿足在最高通訊速率（115200bps）下的電氣性能。電路中還應(yīng)采用隔離型DC/DC模塊向串口收發(fā)器電路供電。
2.3 小的系統(tǒng)體積
    設(shè)備的小型化是每一個(gè)項(xiàng)目所追求的目標(biāo)之一。為了使得設(shè)備便于攜帶、使用方便,在設(shè)計(jì)的初期就決定使用I²C等串行接口方式，而不使用速度雖然很快，但是卻占用大量PCB面積、連接線路以及IC管腳的并口方式。簡(jiǎn)單的串行接口可以掛接多種不同功能的芯片。因此系統(tǒng)的主芯片選用了具有I2C接口的Philips公司生產(chǎn)的P89C668單片機(jī)。其內(nèi)帶64KB Flash存儲(chǔ)器/8KB RAM存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器既可以并行編程又可以串行在系統(tǒng)編程（ISP），還可以程序自我編程（IAP）。由于時(shí)鐘周期為6個(gè)時(shí)鐘，因此速度是傳統(tǒng)51結(jié)構(gòu)的兩倍^[4]。
    整個(gè)系統(tǒng)使用的總線接口如表4所示。

    大量使用串行接口不僅獲得了很小的體積，也使得電路的電氣連接簡(jiǎn)單明了。
3  “一線”網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)
    由于使用了單片機(jī)構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，因此在完成硬件設(shè)計(jì)后，需要編制相應(yīng)的程序在單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行，這樣才能最終完成 “一線”網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。由于采用的單片機(jī)是與51系列兼容的P89C668，所以使用流行的C51語(yǔ)言編譯軟件Keil C V7.07a編制程序。
    系統(tǒng)的核心任務(wù)是通過(guò)“一線”總線采集總線上的溫度傳感器數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至串口，特點(diǎn)如下^[5～6]：
    （1）利用DS18B20的總線特點(diǎn)，同步所有溫度采集節(jié)點(diǎn)的采集過(guò)程。
    在一線總線上發(fā)送同步采集指令，可以使系統(tǒng)在同一時(shí)刻采集到各個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，而避免“一線”總線本身通訊速率低的難題，而且也不用關(guān)心總線上掛接傳感器的具體數(shù)量。流程圖如圖3所示。