由DSl8820構(gòu)成的多點溫度測量系統(tǒng)

引 言
在傳統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計中，往往采用模擬技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，這樣就不可避免地遇到諸如引線誤差補(bǔ)償、多點測量中的切換誤差和信號調(diào)理電路的誤差等問題；而其中某一環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，就可能造成整個系統(tǒng)性能的下降。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個重要方向。美國Dallas半導(dǎo)體公司推出的數(shù)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；在一10～+85℃溫度范圍內(nèi)具有O．5℃精度；用戶可編程設(shè)定9～12位的分辨率。以上特性使得DSl8820非常適用于構(gòu)建高精度、多點溫度測量系統(tǒng)。

1 DSl8820簡介
1．1 DSl8820的特點
DSl8820是美國Dallas半導(dǎo)體公司繼DSl820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能數(shù)字溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式；可以分別在93．75ms和75O ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量；從DSl8820讀出信息或?qū)懭隓Sl8820信息僅需要1根口線(單線接口)；溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本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(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。DSl8820在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DSl820有了很大的改進(jìn)。
1．2 DSl8820內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
DSl8820的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(huán)冗余校驗碼)發(fā)生器。

DSl8820的核心是其數(shù)字溫度傳感器，精度可以通過用戶編程配置為9、10、ll和12位，其分別對應(yīng)于0．5℃、O，25℃、O．125℃和0．062 5℃，可以滿足各種不同的分辨率要求。開始一次溫度轉(zhuǎn)換時，微處理器需要向DSl8820發(fā)出Convert T指令。轉(zhuǎn)換完成之后，該溫度數(shù)據(jù)存放在高速暫存存儲器的溫度寄存器中，占用2字節(jié)，并且DSl8820返回到空閑狀態(tài)。當(dāng)DSl8820采用外部供電方式時，主機(jī)可以在發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令后發(fā)起一次讀時隙。若此時該DSl8820已經(jīng)完成溫度轉(zhuǎn)換，它將會返回“1”，否則返回“0”。

2 溫度測量系統(tǒng)設(shè)計
由DS18820和美國Microchip公司推出的PIC單片機(jī)PICl8F8620以及相關(guān)外圍電路組成的高精度、多點溫度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用6片DSl8820構(gòu)成小型溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過單線連接方式連接至微處理器的通用I／O端口RB0。其中DSl8820的分辨率為11位模式，即O．125℃。微處理器通過單線協(xié)泌與溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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(jī)。

2．1 DSl8820的自動搜索算法
由于系統(tǒng)中使用了多片DS18B20構(gòu)成溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此，如何準(zhǔn)確、有效地對每一溫度傳感器進(jìn)行尋址成為該系統(tǒng)設(shè)計的一個核心問題。結(jié)合DS18820的實際特點和系統(tǒng)的需求，提出如下解決方案：首先利用DS18820的內(nèi)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(shù)據(jù)功能，因此，便把每片DSl8820的唯一64位注冊碼及其編號一一對應(yīng)起來。這一過程需要對DSl8820進(jìn)行單獨編程。然后，將確定好編號的溫度傳感器接入單線網(wǎng)絡(luò)，利用DSl8820特有的單線網(wǎng)絡(luò)自動搜索功能，即可搜尋到每片DSl8820的注冊碼，再利用該注冊碼和相應(yīng)的ROM操作指令，即可從每片DSl8820的TH寄存器中讀出相應(yīng)的設(shè)定編號，實現(xiàn)每片DS18820的尋址功能。下面重點介紹一下該自動搜索功能。
每片DS18820有唯一的64位注冊碼，存儲在只讀存儲器(ROM)中，其結(jié)構(gòu)如下：

其中低8位是產(chǎn)品的工廠代碼(DSl882(1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(huán)冗余校驗碼。這就準(zhǔn)許總線主機(jī)對總線上特定的DS18820進(jìn)行尋址。只有與64位注冊碼嚴(yán)格相符的DSl8820，才能對后續(xù)的操作作出反應(yīng)。所有與64位注冊碼不符的DSl8820將等待復(fù)位脈沖。
搜索算法首先通過復(fù)位和在線應(yīng)答脈沖時隙將單線總線上的所有DS18820復(fù)位。成功地執(zhí)行該操作后發(fā)送1字節(jié)的搜索命令，使所有連接到單總線的DSl8820準(zhǔn)備就緒，開始進(jìn)行搜索操作。搜索命令發(fā)出之后，開始實際的搜索過程。
首先，總線上的所有DSl8820同時發(fā)送注冊碼中的第1位(最低有效位，參見上述DS18820內(nèi)部64位注冊碼結(jié)構(gòu))。按照單總線的特性，當(dāng)所有DS18820同時應(yīng)答主機(jī)時，結(jié)果相當(dāng)于全部被發(fā)送數(shù)據(jù)位的邏輯“與”。DSl8820發(fā)送其注冊碼的第1位后，主機(jī)啟動下一位操作，接著DS181320發(fā)送第l位數(shù)據(jù)的補(bǔ)碼。從兩次讀到的數(shù)據(jù)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(jī)向總線上的所有器件發(fā)回一個指定位。如果DSl8820巾注冊碼的當(dāng)前位的值與該數(shù)據(jù)位匹配，則繼續(xù)參與搜索過程；若DS18820的當(dāng)前位與之不匹配，則該器件轉(zhuǎn)換到等待狀態(tài)并保持等待狀態(tài)，直到下一個復(fù)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(jìn)行重復(fù)操作。按照這種搜索算法進(jìn)行下去，最終除了唯一一個DSl8820外，所有DS18820將進(jìn)入等待狀態(tài)，經(jīng)過最后一輪檢測就可得到最后保留未進(jìn)入等待狀態(tài)的DSl8820的注冊碼。在后續(xù)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(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用C語言編寫。在中斷服務(wù)程序中，實現(xiàn)用戶輸入以及和上位機(jī)的接口功能；在主程序中，實現(xiàn)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動搜索、編號排序、獲取溫度信息，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度上下限，實現(xiàn)相應(yīng)的報警功能。該系統(tǒng)中，根據(jù)不同的分辨率要求，DSl8820的分辨率可通過編程設(shè)定，最高分辨率為12位，即0．0625℃，可滿足高精度設(shè)計要求。同時，由于設(shè)計中使用傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動搜索算法，因此，當(dāng)對網(wǎng)絡(luò)中的溫度傳感器作出調(diào)整(如更換、添加、刪除等操作)時，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

3 結(jié)論
在傳統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)中，往往采用模擬的溫度傳感器進(jìn)行設(shè)計，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才可以被微處理器識別和處理。這樣的設(shè)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(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)功能。本文結(jié)合DSl8820的新特性和現(xiàn)代溫度測量系統(tǒng)提出的新要求，提出了基于智能數(shù)字溫度傳感器DSl8820的高精度、多點溫度測量系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案具有安裝方便、數(shù)字化程度高、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，在多種溫度檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。