基于ARM和DS18B20的數(shù)字測溫系統(tǒng)

0 前言

熱誤差是數(shù)控機(jī)床的最大誤差源，數(shù)控機(jī)床的溫度測試為機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償提供依據(jù)。傳統(tǒng)的測溫方案是將模擬信號通過電纜遠(yuǎn)距離傳輸至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并處理，實用中必須解決長線傳輸和模擬量傳感器布線等問題。本文介紹了一種新型的設(shè)計方案，控制器采用SAMSUNG公司的32位ARM微控制器S3C44BOX，溫度傳感器采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。采用數(shù)字溫度傳感器即在測試點完成了信號的數(shù)字化，提高了傳輸?shù)目煽啃?，同時簡化了外圍電路，也便于傳感器在機(jī)床上的布置安裝。ARM處理器控制數(shù)字溫度信號的采集，并與上位PC機(jī)通訊，同時其他硬件資源提供熱補(bǔ)償系統(tǒng)其他功能。本文在介紹數(shù)字溫度傳感器DS18B20的基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案，對軟件實現(xiàn)中的關(guān)鍵點做了詳盡的注釋說明。

1 數(shù)字溫度傳感器DS18B20介紹

1.1 DS18B20的結(jié)構(gòu)

DS18B20是美國DALLAS公司推出的一種可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器。DS18B20只有一個數(shù)據(jù)輸入/輸出口，是單總線專用芯片。DS18B20工作時，被測溫度值直接以單總線的數(shù)字方式傳輸。

DS18B20體積小，電壓適用范圍寬（3V-5V），可以通過編程實現(xiàn)9～12位的溫度讀數(shù)，即有可調(diào)的溫度分辨率。測溫范圍－55℃～＋125℃，在－10℃～＋85℃時，精度為±0.5℃。其可選封裝有TO-92、SOIC及CSP封裝。

每個DS18B20出廠時都有一個唯一的64位序列號，因此一條總線上可以同時掛接多個DS18B20而不會出現(xiàn)混亂。

DS18B20包括一個暫存RAM和一個E2RAM。暫存存儲器RAM用于存放工作參數(shù)和測量值，其作用是保證在單線通訊時的完整性，包括8個字節(jié)。E2RAM用于設(shè)定非易失性溫度報警上下限值TH和TL（調(diào)電后依然保存）。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

頭兩個字節(jié)表示測得的溫度讀數(shù)，數(shù)據(jù)格式如圖2所示：

S=1時表示溫度為負(fù)，S=0時表示溫度為正，其余低位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示，最低位為1，表示0.0625℃內(nèi)部存儲器的第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器，主要用于溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。

1.2 DS18B20的工作時序

DS18B20嚴(yán)格遵循單總線協(xié)議，工作時，主機(jī)先發(fā)一復(fù)位脈沖，使總線上的所有DS18B20都被復(fù)位，接著發(fā)送ROM操作指令，使序列號編碼匹配的DS18B20被激活，準(zhǔn)備接受下面的RAM訪問指令。RAM訪問指令控制選中的DS18B20工作狀態(tài)，完成整個溫度轉(zhuǎn)換，讀取等工作。在ROM命令發(fā)送之前,RAM命令命令不起作用。表1列出了所有操作命令。

整個操作主要包括三個關(guān)鍵過程：主機(jī)搜索DS18B20序列號、啟動在線DS18B20做溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度值。

其工作流程如圖3：

DS18B20對時序及電特性參數(shù)要求較高，必須嚴(yán)格按照DS18B20的時序要求去操作。它的數(shù)據(jù)讀寫主要由主機(jī)讀寫特定的時間片來完成，包括復(fù)位（初始化）、讀時間片和寫時間片。

（1） 復(fù)位時序

使用DS18B20時,首先需將其復(fù)位,然后才能執(zhí)行其它命令。復(fù)位時,主機(jī)將數(shù)據(jù)線拉為低電平并保持480μｓ～960μｓ,然后釋放數(shù)據(jù)線,再由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉高15～60μｓ,等待DS18B20發(fā)出存在脈沖,存在脈沖有效時間為60～240μｓ，這樣，就完成了復(fù)位操作。其復(fù)位時序如圖4所示。

（2） “寫”時序

在主機(jī)對DS18B20寫數(shù)據(jù)時,先將數(shù)據(jù)線置為高電平,再變?yōu)榈碗娖?該低電平應(yīng)大于1μｓ。在數(shù)據(jù)線變?yōu)榈碗娖胶?5μｓ內(nèi),根據(jù)寫“1”或?qū)?ldquo;0”使數(shù)據(jù)線變高或繼續(xù)為低。DS18B20將在數(shù)據(jù)線變成低電平后15μｓ～60μｓ內(nèi)對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。要求寫入DS18B20的數(shù)據(jù)持續(xù)時間應(yīng)大于60μｓ而小于120μｓ,兩次寫數(shù)據(jù)之間的時間間隔應(yīng)大于1μｓ。寫時隙的時序如圖5所示。“讀”時序機(jī)理類似，不再贅述。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

我們采用的控制器是SAMSUNG公司的32位ARM微控制器S3C44BOX，是三星公司為一般應(yīng)用提供的高性價比和高性能的微控制器的解決方案，功耗小，可靠性高。它使用ARM7TDMI核，工作在66MHz。采用的該ARM控制器將服務(wù)于整個熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，完成包括數(shù)據(jù)處理與通訊、控制等多任務(wù)的實現(xiàn)。機(jī)床測溫系統(tǒng)只使用小部分片上資源。

我們主要通過對I/O引腳的電平讀寫來完成單總線的通訊，采用ARM內(nèi)部的定時器產(chǎn)生中斷來完成有時隙要求的工作。由于我們通過預(yù)分頻后產(chǎn)生的計時值單位達(dá)到1μｓ，完全能夠滿足時序工作的需要。

DS18B20與控制器的接口及其簡單，只需將DS18B20的信號線與控制器的一位雙向端口連接即可。系統(tǒng)連接如圖6所示：

2.2 軟件設(shè)計

遵循DS18B20單總線通訊協(xié)議，溫度轉(zhuǎn)換與讀取工作的軟件流程可表示為圖7（該流程是在已經(jīng)選中激活某個選中的DS18B20以后，選中激活流程軟件原理類似，此處省略）。

可見，與DS18B20進(jìn)行通訊主要完成以下三個基本子程序：初始化程序（復(fù)位程序）、‘讀’子程序，‘寫’子程序。系統(tǒng)采用 C語言進(jìn)行設(shè)計，以下是初始化（復(fù)位）子程序，設(shè)計如下：

調(diào)用該初始化程序就可以實現(xiàn)復(fù)位要求。“讀”子程序、“寫”子程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)制類似，代碼不再贅述。在單總線協(xié)議下，通過調(diào)用這幾個子程序進(jìn)行相應(yīng)的控制，就能完成主機(jī)與DS18B20的通訊，實現(xiàn)溫度的采集。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)接口電路簡單，通訊可靠，集成后的系統(tǒng)運行良好，測試精度高，試驗證明能完成預(yù)定測試任務(wù)。