數(shù)字單總線環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通常用于程控機(jī)房、精密儀器室、圖書(shū)館、庫(kù)房、無(wú)人值守站、變電站等場(chǎng)所，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧、浸水及非法侵入等情況，根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)報(bào)警并驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行器。這是計(jì)算機(jī)在測(cè)控領(lǐng)域的典型應(yīng)用的實(shí)例。通常的設(shè)計(jì)方案是選用一塊性能符合要求的多路數(shù)據(jù)采集(A/D)卡，與PC機(jī)或單片機(jī)的并行口相聯(lián)，然后把各種傳感器送來(lái)的模擬信號(hào)經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)加到A/D上，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后交計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。但是這樣設(shè)計(jì)至少存在兩大缺點(diǎn)：其一，要拉一大把線路才能把現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)送到采集卡上，布線施工麻煩、成本高；其二，線路上傳送的是模擬信號(hào)，易受干擾、易被損耗。因此，這種方案的性能價(jià)格比較低。本文介紹一種近年才推出的單總線技術(shù)，能有效地克服上述缺點(diǎn)。

1 單總線技術(shù)簡(jiǎn)介

單總線技術(shù)是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司近年推出的新技術(shù)。它將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號(hào)線，允許在這根信號(hào)線上掛上數(shù)百個(gè)測(cè)控對(duì)象，這些測(cè)控對(duì)象所用器件芯片是由該公司提供的。每個(gè)芯片均有一個(gè)64位的ROM，廠家對(duì)每一個(gè)芯片用激光燒寫(xiě)編碼，其中存有16位十進(jìn)制編碼的序列號(hào)，也稱之為身份證號(hào)，確保掛在單總線上后，可以被唯一地區(qū)分識(shí)別出來(lái)。這是定位和尋址器件實(shí)現(xiàn)單總線測(cè)控功能的前提條件。ROM中含有CRC檢驗(yàn)碼，能確保數(shù)據(jù)交換可靠。芯片內(nèi)還含有收、發(fā)控制和電源存儲(chǔ)電路，其示意圖如圖1所示。這些芯片的耗電量都很小，從總線上“偷”一點(diǎn)電(空閑時(shí)幾微瓦，工作時(shí)幾毫瓦)存在大電容中就可正常工作了，故一般不用另附電源。更為可貴的是這些芯片在檢測(cè)點(diǎn)就把模擬信號(hào)數(shù)字化了，這樣在單總線上傳送的是數(shù)字信號(hào)，使系統(tǒng)的抗干擾性能好、可靠性高。

應(yīng)當(dāng)指出，單總線技術(shù)是建立在碼分多址、串行分時(shí)數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)上的，因此只能用于對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合，一般用于100kbps以下速率的測(cè)控系統(tǒng)中。

2 系統(tǒng)的組建

采用單總線技術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，只要將一條雙絞線(一根為信號(hào)線，一根為地線)從計(jì)算機(jī)拉向監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，然后將各種監(jiān)控對(duì)象掛在其上就可以了，其示意圖如圖2所示。圖中是以PC機(jī)串行口作輸出的，因此需要串接一個(gè)由RS232到單總線的適配器。實(shí)際上，單總線技術(shù)也允許從PC機(jī)或單片機(jī)并行口的某一位輸出。圖中只畫(huà)出了一個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的配置，其布線接頭與電話線路通常用的一樣，插入和拔出都很方便。

該技術(shù)作用距離通常為300米，經(jīng)擴(kuò)展可達(dá)2000米?？梢越M建成一個(gè)由PC機(jī)驅(qū)動(dòng)的微型局域網(wǎng)，該網(wǎng)干線長(zhǎng)度可達(dá)200米，可掛20路支線；支線長(zhǎng)度可達(dá)50米，可掛30個(gè)器件，能滿足一般監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

3 硬件配置

單總線專用芯片的種類和型號(hào)很多，可以參閱達(dá)拉斯公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)和光盤(pán)(Data Book and CD ROM)根據(jù)需要選用，也可從互聯(lián)網(wǎng)上訪問(wèn)。這里簡(jiǎn)單介紹圖2中用到的一些器件芯片。

3.1 串口RS232到單總線適配器

當(dāng)采用PC機(jī)進(jìn)行低速測(cè)控時(shí)，用串行口RS232連接是很方便的，但它不能同時(shí)掛上許多測(cè)控對(duì)象。為此要采用RS232到單總線的適配器，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)方便的連接。達(dá)拉斯公司提供DS9097等型號(hào)的適配器，它可完成多線對(duì)一線的轉(zhuǎn)換及電平的變換。

3.2 數(shù)字溫度計(jì)

達(dá)拉斯公司提供了多種數(shù)字溫度計(jì)，適合單總線應(yīng)用的典型產(chǎn)品是DS1820，其主要特性為：

·測(cè)量溫度：－55°C～+125°C
·分辨率：0.5°C
·溫度值輸出：9位數(shù)字量
·轉(zhuǎn)換速度： 200ms/次
·上下限溫度設(shè)置為用戶定義式
·不需外圍電路，電源可由單總線提供
·兩種封裝形式：3端PR－35塑封或16腳SSOP封裝

該溫度計(jì)是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系、通過(guò)對(duì)振蕩周期的計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。為了擴(kuò)大測(cè)溫范圍和提高分辨率，使用了一個(gè)低溫系數(shù)振蕩器和一個(gè)高溫系數(shù)振蕩器分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并采用了非線性累加器等電路來(lái)改善線性，故此DS1820具有上述良好的特性，而且售價(jià)僅為通常模擬溫度變送器的十分之一左右。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換器

在單總線上直接掛上A/D轉(zhuǎn)換器，會(huì)使系統(tǒng)的檢測(cè)功能大大增強(qiáng)。各種物理量只要通過(guò)傳感器變?yōu)殡妷毫?，就可由A/D采集后經(jīng)單總線送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。達(dá)拉斯公司最近推出的DS2450就是這樣的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要特性為：

·4路模擬輸入通道，兩種模擬輸入量程：
0～2.56V和0～5.12V
·一個(gè)數(shù)據(jù)輸出口，以16.3kbps的速率通信，超速模式可達(dá)142kbps
·逐次逼近的變換原理，2～16位轉(zhuǎn)換精度(可選擇)
·采用單總線協(xié)議
·響應(yīng)模擬電壓超門(mén)限報(bào)警設(shè)置
·不用另接電源和外圍電路
·8腳SOIC 封裝

這樣，上述溫、濕度的檢測(cè)，也可改用A/D轉(zhuǎn)換器DS2450和模擬式溫、濕度傳感器串接來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2中的煙霧傳感器用作防火報(bào)警，通常有離子式、光電式兩種，其輸出電壓超過(guò)A/D設(shè)定門(mén)限則做火災(zāi)報(bào)警。防非法侵入可選用熱釋電式或紅外式傳感器，當(dāng)有人侵入行動(dòng)時(shí)，其輸出電壓可由A/D判知告警。

3.4 可尋址控制開(kāi)關(guān)

在測(cè)控系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)量控制是應(yīng)用最多的。對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)講，則是送出一位0或1控制碼信號(hào)，用它去觸發(fā)被控電路。通常是先觸發(fā)光電耦合器，然后啟動(dòng)繼電器、晶閘管或固體繼電器，視被控設(shè)備功率大小而選用合適的開(kāi)關(guān)器件。

達(dá)拉斯公司提供了一些可尋址的控制開(kāi)關(guān)，如DS2405，其主要特性為：

·適用于單總線協(xié)議
·由單總線上的數(shù)據(jù)作為開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制漏極開(kāi)路輸出端的通斷狀態(tài)，如圖3所示。
·PIO引腳吸收能力大于4mA/0.4V
·不用外接電源
·三種封裝形式：TO－92三腳塑封；SOT－223四腳平面封裝和C－Lead六腳表面安裝封裝。

3.5 硅序列號(hào)DS2401

該芯片實(shí)際上是符合單總線協(xié)議的ROM硅片，廠家在其中寫(xiě)入了唯一的序列號(hào)，用作尋址定位的標(biāo)識(shí)。例如圖2中的浸水報(bào)警，當(dāng)置于地面上的探測(cè)器被水淹了，則短路接通了DS2401，被計(jì)算機(jī)查詢到后就會(huì)發(fā)出浸水報(bào)警。

3.6 防靜電保護(hù)二極管

為防止處在開(kāi)路狀態(tài)易受靜電等干擾侵入，通常在單總線線路的末端都接上DS9502之類保護(hù)二極管。

4 軟件設(shè)計(jì)

在單總線測(cè)控系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)是技術(shù)的關(guān)鍵。簡(jiǎn)潔的硬件配置是靠復(fù)雜的軟件來(lái)支撐的。單總線軟件設(shè)計(jì)是基于達(dá)拉斯公司授權(quán)的軟件開(kāi)發(fā)商(ASDs)提供的TMEX軟件成套開(kāi)發(fā)工具。TMEX支持Microsoft Windows及DOS的各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)，可以采用C、C++、Pascal(Borland Delphi)、Microsoft Access和Microsoft Visual Basic等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。TMEX還支持DS9097U通用串行口轉(zhuǎn)換器、DS9097、DS9087E及“真正”接地串行口轉(zhuǎn)換器和DS1410E、DS1410D并行轉(zhuǎn)換口。

為保證數(shù)據(jù)可靠地傳送，任一時(shí)刻單總線上只能有一個(gè)控制信號(hào)或數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)應(yīng)符合單總線協(xié)議，計(jì)算機(jī)對(duì)某一測(cè)控對(duì)象操作時(shí)，一般有以下四個(gè)過(guò)程：⑴初始化信號(hào)；⑵傳送ROM命令；⑶傳送RAM命令；⑷數(shù)據(jù)交換。每次傳送的數(shù)據(jù)或命令都是由一系列的時(shí)序信號(hào)組成的，單總線上共有四種時(shí)序信號(hào)：⑴初始化信號(hào)(復(fù)位信號(hào))；⑵寫(xiě)0信號(hào)；⑶寫(xiě)1信號(hào)；⑷讀信號(hào)。設(shè)計(jì)中應(yīng)保證指令執(zhí)行時(shí)間小于或等于時(shí)序信號(hào)中的最小時(shí)間。由于有了TMEX單總線軟件開(kāi)發(fā)工具，軟件設(shè)計(jì)比較規(guī)范，容易掌握。

由于可在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)軟件，則可在屏幕上設(shè)計(jì)精美、生動(dòng)的界面，既可看到監(jiān)控系統(tǒng)的總布局圖，又可查看某個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和指示信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到現(xiàn)代化、自動(dòng)化的管理水平。

綜上所述，用單總線技術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)比采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案具有較高的性能價(jià)格比。而且，可以看出該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：適用于低速測(cè)控場(chǎng)合；測(cè)控對(duì)象越多，越顯示其優(yōu)越性；性價(jià)比高；硬件施工、維修方便；抗干擾性能好;有CRC校驗(yàn)，可靠性高；軟件設(shè)計(jì)規(guī)范；系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀，易于掌握。因此，積極推廣單總線技術(shù)的應(yīng)用會(huì)有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。