基于I2C總線的多點溫度采集系統(tǒng)

摘要：基于I2C總線特點，以P89LPC922單片機為核心，設計一個單主機多從機的多點溫度采集系統(tǒng)，主機由P89LPC922單片機、數(shù)碼管顯示、電源、報警、鍵盤等模塊組成。而從機是由LM75A型數(shù)字溫度傳感器等組成，采集節(jié)點的實時溫度值，響應主機請求發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，并編寫方便與用戶程序連接的I2C軟件包。經(jīng)測試，該系統(tǒng)測溫范圍為-55～+125℃，測量精度達到O．125℃，因此該溫度采集系統(tǒng)設計是一個可綜合處理多點溫度信息的測量系統(tǒng)。
關鍵詞：P89LPC922：LM75A；ZLC7290；溫度采集

    隨著社會的進步和工業(yè)技術的發(fā)展，許多產品對溫度范圍的要求越加嚴格，尤其在工業(yè)發(fā)展方面，如冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃等行業(yè)。而目前市場上溫度檢測儀器大多是單點測量，不能適應當今社會生產高效率要求，且溫度信息精度不高。因此設計一種能夠同時測量多點溫度，測量精度高，能夠綜合處理多點溫度信息的測量系統(tǒng)很有必要。這里提出一種能多路采集、顯示的溫度采集系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 系統(tǒng)整體結構
    該系統(tǒng)設計采用I2C總線，單主機多從機的工作模式，實現(xiàn)多點溫度的采集、讀取與顯示。主機由主控制器、數(shù)碼管顯示、電源、報警、鍵盤等模塊組成，完成以下功能：1)主機通過按鍵確定進入溫度測量狀態(tài)以及即將讀取溫度的節(jié)點：2)主機從總線上讀取節(jié)點溫度值并顯示；3)空閑時，由按鍵確定進入時間顯示狀態(tài)。時鐘使用單片機內部的實時時鐘RTC、外部6 MHz晶振，CPU掉電運行，每0．5 s喚醒一次；而從機由數(shù)字溫度傳感器等組成，實現(xiàn)完成以下功能：1)采集節(jié)點實時溫度值；2)響應主機的請求，發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。
    基于I2C總線的多點溫度采集系統(tǒng)選用具有硬件I2C總線功能的P89LPC922單片機作為主控制器，采用具有I2C功能器件的數(shù)字溫度傳感器LM75A和數(shù)碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理器件ZLG7290。LM75A采集節(jié)點實時溫度值，并通過I2c總線發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，ZLG7290驅動LED數(shù)碼管顯示溫度值和時間。采用SPXll17設計電源模塊提供3．3V電壓。該系統(tǒng)硬件框圖如圖l所示。

1．2 各模塊電路設計
1．2．1 控制器模塊
    主控制器采用P89LPC922單片機。該單片機是一款單片封裝的微控制器，適合于那些要求高集成度、低成本的場合，滿足多方面性能要求。其內部集成了鍵盤中斷、串行接口(UART／I2C)、看門狗定時器，采用先進的2-clock技術，指令執(zhí)行速度是傳統(tǒng)80C51的6倍。支持空閑、掉電、時鐘預分頻等多種節(jié)電模式，另外，其4中斷優(yōu)先級結構，為多個中斷源的處理提供極大的靈活性。
    根據(jù)主控器P89LPC922單片機的鍵盤中斷特性，鍵盤模塊可直接由3個I／O口控制實現(xiàn)3個按鍵，其原理圖如圖2所示。

    本設計采用蜂鳴器實現(xiàn)報警過程，使用I／O口的開漏方式對蜂嗚器進行控制。指示燈電路是由2個LED組成，使用I／O口的推挽輸出方式驅動LED。
1．2．2 溫度采集模塊
    LM75A是一個使用了內置帶隙溫度傳感器和∑-△模數(shù)轉換技術的溫度-數(shù)字轉換器。本設計使用2片LM75A采集兩點的溫度值，其原理圖如圖3所示。

1．2．3 顯示模塊
    ZLG7290B是數(shù)碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理器件，能夠直接驅動8位共陰式數(shù)碼管(或64只獨立的LED)。這里只使用ZLG7290B的數(shù)碼管顯示驅動功能，而沒有用其鍵盤功能，因此電路大大簡化，其原理圖如圖4所示。

2 軟件程序設計
    I2C是一個多主總線，其可由多個器件控制。一般的I2C器件都具有一個唯一的地址以保證控制的準確性，普通I2C總線傳輸速率為100 Kbit／s，在新增的高速模式下其可達到3．4 Mbit／s的速率，以支持一些高速傳輸?shù)膽?，如大容量Flash存儲器。
    LPC900系列單片機內部集成了I2C總線，既可作I2C總線上的主控器件，也可作I2C總線上的從器件，同時其具有4種I2C總線收發(fā)模式：主發(fā)送器模式，主接收器模式，從發(fā)送器模式，從接收器模式。
    本設計的I2C軟件包采用硬件I2C總線中斷方式，硬件I2C的總線競爭和同步邏輯是軟件無法模擬的，本軟件包是硬件I2C以主方式工作的，它包括了申請總線，發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)，接收字節(jié)數(shù)據(jù)等等，而面對其他模塊程序的是幾個歸一化子程序，只要設置幾個入口參數(shù)，即可調用。

    圖5和圖6分別為實時時鐘和鍵盤中斷服務流程，其中實時時鐘0．5s產生1次中斷，而鍵盤中采用3個按鍵，每個按鍵按下時均可產生一次中斷。本設計主函數(shù)完成CPU掉電運行，使系統(tǒng)功耗降至最低，只有在按鍵中斷和實時時鐘中斷時才會喚醒CPU。

3 系統(tǒng)測試
3．1 硬件測試
    利用萬用表對焊接好的電路板進行測試。首先測試線路部分，各線路連接正常，沒有出現(xiàn)短路和斷路的現(xiàn)象；其次，上電后，電源燈亮，證明電源連接正常，測電源電壓輸入為5 V，輸出為3．3 V，電源電路工作正常。其余模塊通過軟件測試。
3．2 軟件測試
    通過ZLG7290測試程序驗證I2C總線的傳輸情況，并利用邏輯分析儀來觀察其時序，如圖7所示。

    從圖7可以看出，該時序部分完成的是使第l位數(shù)碼管顯示“0"的過程，從啟動總線到結束總線的一個完整過程。該過程總共發(fā)送了4個字節(jié)數(shù)據(jù)，在總線啟動后發(fā)送的是ZLG7290的從機地址，后跟一位讀寫位O，表命令緩沖區(qū)的首地址，每發(fā)送完一個字節(jié)后都會收到一個應答位0，表示接收到數(shù)據(jù)。后面2個字節(jié)是復合指令，在這里是按位下載數(shù)據(jù)且譯碼指令，即使第l位數(shù)碼管顯示0。發(fā)送完指令后緊接著是結束總線條件，表示一次發(fā)送過程結束。
    通過LM75A測試程序是向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，收到應答位0后，緊接著發(fā)送從機子地址，在這里是ZLG7290命令緩沖區(qū)的首地址，每發(fā)送完一個字節(jié)后都會收到一個應答位0，表示接收到數(shù)據(jù)。后面2個字節(jié)是復合指令，在這里是按位下載數(shù)據(jù)且譯碼指令，即使第1位數(shù)碼管顯示0。發(fā)送完指令后緊接著是結束總線條件，表示一次發(fā)送過程結束。驗證I2C總線的接收數(shù)據(jù)的過程，并利用邏輯分析儀來觀察其時序，如圖8所示。

    從圖8可以看出，該時序部分完成的是讀取溫度值的過程，也是一個I2C總線帶重復起始條件的接受數(shù)據(jù)的過程。該過程分發(fā)送和接收兩部分。發(fā)送部分包括發(fā)送從機地址和從機子地址，即LM75A的地址90H和LM75A溫度寄存器首地址00H。然后重新啟動總線準備接收數(shù)據(jù)，該部分主機先發(fā)送從機地址，并跟讀寫位l，表示主機將接收該從機發(fā)來的數(shù)據(jù)，緊接著主機接收2個字節(jié)的數(shù)據(jù)，主機發(fā)送應答位后，再發(fā)送停止條件結束總線，表示主機接收完一次數(shù)據(jù)。
3．3 系統(tǒng)綜合測試
    將程序燒進P89LPC922，上電后，數(shù)碼管顯示“0000”，通過按鍵2和按鍵3來設置時鐘初值。當讀取的溫度值超過設定的溫度值范圍，蜂鳴器會發(fā)出報警提示音。這時可通過按下按鍵l取消聲音，同時切換為時鐘顯示。

4 結束語
    本系統(tǒng)為綜合處理多點溫度信息的測量系統(tǒng)，該設計系統(tǒng)結構簡單，操作方便，測量精度高，速度快，能實現(xiàn)報警。該系統(tǒng)的測溫范圍為-55～+125℃，測量精度能達到0．125℃，由于采用I2C總線的結構，整個系統(tǒng)占用主控制器I／O口較少，其余I／O口可留作系統(tǒng)擴展之用。該系統(tǒng)可應用于植物生長環(huán)境的溫度檢測，當超出植物適宜生長溫度范同時將發(fā)出報警。