基于DSP的分布式溫度采集記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，分布式溫度測(cè)量控制系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人們的日常生活中扮演了一個(gè)越來越重要的角色。因此，對(duì)溫度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究就具有十分重要的意義。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

TMS320F2812是TI公司推出的150MHz高速處理能力的高精度定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器。本設(shè)計(jì)采用TMS320F2812作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，以Maxim公司的單線數(shù)字溫度計(jì)DS28EA00為基礎(chǔ)，通過DSP控制溫度傳感器順序采集各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度，經(jīng)處理送LED顯示并暫存到外擴(kuò)RAM中，當(dāng)滿足特定的要求時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤或SD卡以便于以后分析處理。溫度采集記錄儀的硬件電路主要包含6個(gè)部分：DS28EA00溫度測(cè)量模塊、USB接口模塊、SD卡接口模塊、外擴(kuò)RAM模塊、LED顯示模塊和TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1 DS28EA00溫度測(cè)量模塊

① 溫度傳感器選型

實(shí)際環(huán)境復(fù)雜多變，通常要求溫度傳感器能夠與DSP可靠地通信，易與供電及布線，并能明確區(qū)分出溫度數(shù)據(jù)與溫度傳感器位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此溫度傳感器的選型十分關(guān)鍵。傳統(tǒng)的模擬溫度傳感測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度低、布線復(fù)雜、易受干擾，而新型單片數(shù)字式溫度傳感器測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來越廣。

DS28EA00是業(yè)界首款具有鏈路功能的1-Wire數(shù)字溫度傳感器，具有9位(0.5℃)～12位(1/16℃)分辨率，且?guī)в锌捎捎脩艟幊淘O(shè)置的非易失(NV)性溫度上、下限報(bào)警觸發(fā)點(diǎn)，報(bào)警搜索命令能夠快速確定溫度超出設(shè)定范圍的器件。每個(gè)DS28EA00都具有工廠預(yù)先刻度的唯一64位序列號(hào)，只需一根數(shù)據(jù)線和地線就可通過1-Wire協(xié)議完成串行傳輸數(shù)據(jù)，支持 15.3kb/s的標(biāo)準(zhǔn)通信速率和125kb/s(最大值)的高速通信速率。經(jīng)改進(jìn)的1-Wire接口具有滯回和干擾濾波特性功能，使得DS28EA00能夠在大的1-Wire網(wǎng)絡(luò)中可靠工作。并且，與其他1-Wire溫度計(jì)不同，DS28EA00具有兩個(gè)額外的引腳用以執(zhí)行順序檢測(cè)功能。該特性允許用戶將器件在鏈路中的物理位置與序列號(hào)對(duì)應(yīng)，如用來測(cè)量貯存塔不同高度處的溫度。DS28EA00的供電和數(shù)據(jù)通信都是借助這條1-Wire線完成的。

DS28EA00內(nèi)部包括三個(gè)主要數(shù)據(jù)部分：(1)64位序列號(hào)，(2)64位暫存器，(3)報(bào)警和配置寄存器。所有1-Wire系統(tǒng)都有一個(gè)重要的基本特性：每個(gè)從機(jī)都有一個(gè)唯一、不能更改(ROM)的64位、工廠激光刻制序列號(hào)(ID)，這個(gè)序列號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)與另一個(gè)器件重復(fù)。1-Wire ROM Function Control(1-Wire ROM功能控制)單元處理ROM功能命令，允許器件可以工作在一個(gè)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。Device Function Control(器件功能控制)單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的特定操作和控制，如實(shí)現(xiàn)讀/寫、溫度轉(zhuǎn)換、設(shè)置順序檢測(cè)的鏈路狀態(tài)。8bit CRC生成器在讀取溫度和寄存器數(shù)據(jù)時(shí)協(xié)助主機(jī)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性。DSP通過GPIO口與DS28EA00的1-Wire(1線接口)總線接口相連進(jìn)行通信，如圖2所示。

圖2 測(cè)溫模塊原理圖

② DS28EA00的序列檢測(cè)硬件電路連接

DS28EA00的鏈路功能允許1-Wire主機(jī)檢索以線性網(wǎng)絡(luò)(“鏈”)方式連接的器件，找出其物理順序，這對(duì)于那些沿長(zhǎng)電纜等間距安裝的器件是非常方便的。鏈路功能需要兩個(gè)引腳，輸入引腳(EN)使器件在檢測(cè)過程中能對(duì)檢測(cè)做出響應(yīng)，而輸出引腳(DONE)用于通知鏈路中的下一個(gè)器件其相鄰器件的檢測(cè)已完成。

DS28EA00的兩個(gè)通用端口被復(fù)用以實(shí)現(xiàn)鏈路功能。PIOB被復(fù)用為EN輸入，PIOA產(chǎn)生DONE信號(hào)并與下一個(gè)器件的EN輸入相連，鏈路中第一個(gè)器件的EN輸入需連接至GND，序列檢測(cè)時(shí)的連接(由DSP充當(dāng)1線主機(jī))如圖3所示。

2 USB接口模塊

本系統(tǒng)采用Cypress公司生產(chǎn)的嵌入式USB接口芯片SL811HST，內(nèi)含USB主/從控制器，支持全速(full-speed)/低速(low-speed)數(shù)據(jù)傳輸，并能自動(dòng)識(shí)別低速或者全速設(shè)備，SL811HST所提供的接口可與微控制器、DSP相連。此外，SL811HST內(nèi)部有一個(gè)256字節(jié)的RAM，可用做控制寄存器或數(shù)據(jù)緩沖器。本系統(tǒng)中USB設(shè)備映射TMS320F2812外擴(kuò)0區(qū)域，USB接口模塊硬件電路圖如圖4所示。

圖4 USB接口模塊硬件電路圖

3 SD卡接口模塊

目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)了容量高達(dá)GB容量的SD卡，可以通過SPI口或并行(SD)接口與主機(jī)通信，另外還提供額外的引腳用來檢測(cè)卡的存在以及是否寫保護(hù)。在SPI總線模式下，CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號(hào)，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)，DI(Data In)為主控制器向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)，DO(Data Out)為卡向主控制器發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)。若想更高速的通信則選擇SD模式通信，可以采用GPIO接口滿足特定的SD規(guī)范。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)，主要包括三部分內(nèi)容：DSP與DS28EA00的通信、DSP與SD卡的通信，DSP與USB設(shè)備的通信。

1 DSP與DS28EA00的通信

DS28EA00需要嚴(yán)格的通信協(xié)議確保數(shù)據(jù)的完整性，該協(xié)議在一根線上定義了四種類型的信號(hào)：由復(fù)位脈沖和在線應(yīng)答脈沖組成的復(fù)位序列、寫0、寫1、讀數(shù)據(jù)。DS28EA00能以標(biāo)準(zhǔn)速率或高速兩種不同的速率進(jìn)行通信，且所有波形均采用快速定時(shí)。DSP通過1-Wire端口訪問DS28EA00的操作流程如下。

● DS28EA00初始化

1-Wire 總線上的所有操作均從初始化開始，初始化過程由DSP發(fā)送的復(fù)位脈沖和從器件發(fā)送的在線應(yīng)答脈沖組成，在線應(yīng)答脈沖用于通知DSP DS28EA00已掛接在總線上并已準(zhǔn)備就緒。

● ROM功能命令

一旦DSP檢測(cè)到在線應(yīng)答脈沖，就可以發(fā)出DS28EA00支持的8條ROM功能命令中的一條，所有ROM功能命令的長(zhǎng)度均為8位。