分布式溫度采集記錄儀的設(shè)計與實現(xiàn)

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

系統(tǒng)總體設(shè)計方案
TMS320F2812是TI公司推出的150MHz高速處理能力的高精度定點數(shù)字信號控制器。本設(shè)計采用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DS28EA00為基礎(chǔ)，通過DSP控制溫度傳感器順序采集各個測量點的溫度，經(jīng)處理送LED顯示并暫存到外擴RAM中，當滿足特定的要求時，將數(shù)據(jù)存儲到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個部分：DS28EA00溫度測量模塊、USB接口模塊、SD卡接口模塊、外擴RAM模塊、LED顯示模塊和TMS320F2812數(shù)字信號處理模塊，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
1 DS28EA00溫度測量模塊

① 溫度傳感器選型
實際環(huán)境復雜多變，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)的模擬溫度傳感測量系統(tǒng)測量精度低、布線復雜、易受干擾，而新型單片數(shù)字式溫度傳感器測量精度高、抗干擾能力強，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、下限報警觸發(fā)點，報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DS28EA00都具有工廠預(yù)先刻度的唯一64位序列號，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的標準通信速率和125kb/s(最大值)的高速通信速率。經(jīng)改進的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溫度計不同，DS28EA00具有兩個額外的引腳用以執(zhí)行順序檢測功能。該特性允許用戶將器件在鏈路中的物理位置與序列號對應(yīng)，如用來測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)部包括三個主要數(shù)據(jù)部分：(1)64位序列號，(2)64位暫存器，(3)報警和配置寄存器。所有1-Wire系統(tǒng)都有一個重要的基本特性：每個從機都有一個唯一、不能更改(ROM)的64位、工廠激光刻制序列號(ID)，這個序列號永遠不會與另一個器件重復。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多點網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。Device Function Control(器件功能控制)單元用于實現(xiàn)對器件的特定操作和控制，如實現(xiàn)讀/寫、溫度轉(zhuǎn)換、設(shè)置順序檢測的鏈路狀態(tài)。8bit CRC生成器在讀取溫度和寄存器數(shù)據(jù)時協(xié)助主機檢驗數(shù)據(jù)完整性。DSP通過GPIO口與DS28EA00的1-Wire（1線接口）總線接口相連進行通信，如圖2所示。

圖2 測溫模塊原理圖

② DS28EA00的序列檢測硬件電路連接
DS28EA00的鏈路功能允許1-Wire主機檢索以線性網(wǎng)絡(luò)(“鏈”)方式連接的器件，找出其物理順序，這對于那些沿長電纜等間距安裝的器件是非常方便的。鏈路功能需要兩個引腳，輸入引腳(EN)使器件在檢測過程中能對檢測做出響應(yīng)，而輸出引腳(DONE)用于通知鏈路中的下一個器件其相鄰器件的檢測已完成。

DS28EA00的兩個通用端口被復用以實現(xiàn)鏈路功能。PIOB被復用為EN輸入，PIOA產(chǎn)生DONE信號并與下一個器件的EN輸入相連，鏈路中第一個器件的EN輸入需連接至GND，序列檢測時的連接(由DSP充當1線主機)如圖3所示。

圖3 DS28EA00序列檢測硬件電路連接(鏈路功能)

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，并能自動識別低速或者全速設(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
目前市場上已出現(xiàn)了容量高達GB容量的SD卡，可以通過SPI口或并行(SD)接口與主機通信，另外還提供額外的引腳用來檢測卡的存在以及是否寫保護。在SPI總線模式下，CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時鐘信號，DI(Data In)為主控制器向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號，DO(Data Out)為卡向主控制器發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號。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
系統(tǒng)軟件設(shè)計是本文的重點，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：由復位脈沖和在線應(yīng)答脈沖組成的復位序列、寫0、寫1、讀數(shù)據(jù)。DS28EA00能以標準速率或高速兩種不同的速率進行通信，且所有波形均采用快速定時。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備就緒。

● ROM功能命令
一旦DSP檢測到在線應(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功能命令的長度均為8位。

● 控制功能命令
控制功能命令用于實現(xiàn)溫度測量、訪問寄存器和PIO、改變鏈路狀態(tài)所需的協(xié)議。DSP與DS28EA00之間的通信可采用標準速率(默認狀態(tài)，OD=0)，也可用高速模式(OD=1)。上電后，如果沒有明確設(shè)置為高速模式，DS28EA00則以標準速率進行通信。

● 數(shù)據(jù)的收發(fā)
DS28EA00的數(shù)據(jù)通信是在一個個時隙中進行的，每個時隙只能傳送1bit數(shù)據(jù)。通過寫時隙將數(shù)據(jù)從DSP傳輸至DS28EA00，而通過讀時隙則將數(shù)據(jù)由DS28EA00傳輸至DSP。除在線應(yīng)答脈沖之外，所有的通信都是從主機(DSP)主導發(fā)出下降沿信號開始。當1-Wire總線上的電壓跌落至低于門限電壓時，DS28EA00利用其內(nèi)部時隙發(fā)生器，確定在寫時隙期間何時對數(shù)據(jù)線進行采樣以及在讀時隙時數(shù)據(jù)有效時間的長短。

2 數(shù)據(jù)存儲
① U盤數(shù)據(jù)存儲
通過DSP實現(xiàn)對USB移動存儲設(shè)備操作的工作主要是在軟件方面，因此本文主要從軟件方面來說明設(shè)計過程。USB軟件設(shè)計主要由通用的USB總線枚舉部分和USB Mass Storage類協(xié)議軟件設(shè)計和文件系統(tǒng)組成，U盤數(shù)據(jù)存儲流程圖如圖5所示。

圖5 U盤數(shù)據(jù)存儲流程圖

U盤數(shù)據(jù)存儲的部分代碼如下：

（1）unsigned char EnumUsbDev(BYTE usbaddr) //枚舉USB設(shè)備
{USB_Reset(); //USB設(shè)備復位
if (!GetDescription()) // 獲取設(shè)備描述符并獲得傳輸包的最大字節(jié)數(shù)
return FALSE;
if (!SetAddress(usbaddr))
// 設(shè)置USB設(shè)備的地址
return FALSE;
if (!GetDescription ())
// 重新獲取設(shè)備描述符
return FALSE;
if(uDev.bClass==8)
//是否是大容量存儲設(shè)備
bFlags.bits.bMassDevice=TRUE;}

（2）unsigned char EnumerateMassDevice(void)
//枚舉大容量存儲設(shè)備
{DeviceInformation.BPB_BytesPerSec=512;
//暫假設(shè)每個扇區(qū)為512字節(jié)
if(!RBC_Read(DeviceInfomation.StartSector，0，DBUF)) //讀取U盤DBR區(qū)了解U盤的基本信息
return FALSE;
DeviceInfo.BPB_BytesPerSector=LSwapINT16(DBUF[10]，DBUF[11]); //讀取U盤每扇區(qū)字節(jié)數(shù)
DeviceInfo.BPB_SecPerCluters=DBUF[12];//讀取U盤每簇扇區(qū)數(shù)
ReservedSectorsNumbers=LSwapINT16(DBUF[13]，DBUF[14]); //讀取U盤保留扇區(qū)數(shù)
DeviceInfomation.BPB_NumFATs=DBUF[15];} //讀取U盤FAT表的份數(shù)

② SD卡數(shù)據(jù)存儲
SD卡數(shù)據(jù)存儲軟件設(shè)計主要包括兩部分：SD卡的上電初始化過程和對SD卡的讀寫操作，其工作步驟如下。

● 配置TMS320F2812的SPI接口，然后檢測是否有SD卡插入。為調(diào)試方便將SD卡接口的Vss2引腳接地。

● 當檢測到SD卡的存在后系統(tǒng)連續(xù)發(fā)送10次0xFF00使SD卡的DATA IN引腳保持至少74個時鐘周期以實現(xiàn)系統(tǒng)上電初始化。
● SD卡初始化，注意此時SPI接口的通信速度應(yīng)在100kHz到400kHz左右，以滿足SD卡通信協(xié)議的要求。

● 系統(tǒng)與SD卡通信。此時可以提高SPI接口的通信速率。

SD卡數(shù)據(jù)存儲流程圖如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)流程圖

3文件系統(tǒng)
為了便于對采集的數(shù)據(jù)進行處理，需要設(shè)計一個兼容FAT16、FAT32文件格式的文件管理系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)存儲到U盤或者SD卡。

文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分為五 部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、DIR區(qū)和DATA區(qū)，由于U盤或者SD卡不要求啟動，因此可以沒有MBR區(qū)，只包含DBR、FAT、DIR和DATA四個區(qū)。

系統(tǒng)分析
1 性能指標
經(jīng)過反復測試后得出:系統(tǒng)能穩(wěn)定的采集溫度數(shù)據(jù)并快速的存儲至U盤和SD卡，具體性能指標如下。

● DSP與DS28EA00 的通信速率：標準通信速率為15.3kb/s，高速通信速率為125kb/s；

● DSP與U盤的通信速率約為600KB，與SD卡的通信速率約400KB。

2 系統(tǒng)抗干擾性能分析
在1-Wire系統(tǒng)中，僅DSP在信號瞬變期間進行控制才可能實現(xiàn)線路終端匹配。因此，1-Wire網(wǎng)絡(luò)很容易受到其他噪聲的影響。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的物理形狀大小和拓撲結(jié)構(gòu)的不同，從端點到分支點的反射可能會在一定程度上相互疊加或抵消，如同1-Wire通信線路上的毛刺或振蕩一樣，這樣的反射也是不容忽視的。從外部源耦合到1-Wire線路上的噪聲也產(chǎn)生信號毛刺。時隙上升沿時出現(xiàn)的毛刺可能會引起從器件與不同步，結(jié)果會造成Search ROM命令無效，或?qū)е缕骷壝畋缓雎?。為提高網(wǎng)絡(luò)性能，DS28EA00采用了一種新型的1-Wire前端，它對噪聲的免疫力更強，可以降低從器件引入的噪聲的幅度。DS28EA00的1-Wire前端較之傳統(tǒng)溫度傳感器的前端有以下不同。

● 在線應(yīng)答脈沖的下降沿斜率是受控制的，這樣提供了比數(shù)字開關(guān)晶體管更好的傳輸線阻抗匹配，將來自傳統(tǒng)器件的高頻振蕩轉(zhuǎn)換為更平滑的低頻瞬變。斜率控制由參數(shù)tFPD（器件存在下降時間）指定，針對標準速度和高速模式，具有不同的取值。

● 該電路中增加了一個低通濾波器，用于檢測時隙開始時的下降沿，這樣可降低器件對高頻噪聲的敏感度。

● 高低開關(guān)門限VTH具有一個滯回。如果一個負毛刺的電壓低于VTH，但不低于VTH-VHY時，就不會判定為負脈沖（如圖7 Case A），滯回在任何1-Wire速率下均起作用。

● 該系統(tǒng)具有一個tREH(上升沿拖尾時間)定義的時間窗口，在這個窗口內(nèi)，即使毛刺電壓低于門限VTH-VHY(如圖7 Case B，tGLtREH)，毛刺電壓仍會被忽略。

圖7 噪聲抑制示意圖

結(jié)語
該溫度采集記錄儀不但可以穩(wěn)定的采集溫度數(shù)據(jù)而且可以快速的將數(shù)據(jù)存儲到U盤或者SD卡，便于以后分析處理，特別適合環(huán)境比較惡劣地區(qū)的溫度采集，為溫度采集與數(shù)據(jù)存儲提供了一個理想的解決方案。