一線式數(shù)字溫度計(jì)DS1822的原理及應(yīng)用

    關(guān)鍵詞：測(cè)溫；一線芯片；DS1822

一線總線芯片是美國(guó)Ｄａｌｌａｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司推出的系列產(chǎn)品。這是一種用一根信號(hào)線與一根返回線來(lái)實(shí)現(xiàn)互連通信的集成電路芯片。采用這種芯片構(gòu)成的微型局域網(wǎng)系統(tǒng)具有建網(wǎng)速度快、成本低的特點(diǎn)，非常適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。一線數(shù)字溫度計(jì)（１－Ｗｉｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ）芯片ＤＳ１８２２就是Ｄａｌｌａｓ公司推出的系列一線總線產(chǎn)品之一，它支持Ｄａｌｌａｓ觸摸接口，遵循一線協(xié)議，并可以與處理器進(jìn)行雙向數(shù)字通信，同時(shí)性價(jià)比也很高，是一種使用起來(lái)非常方便的經(jīng)濟(jì)型溫度傳感器。

１　引腳功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ＤＳ１８２２的外形封裝如圖１所示。

其中(ａ)是采用３引腳ＴＯ－９２的封裝形式；(ｂ)是采用８引腳ＳＯＩＣ的封裝形式；(ｃ)是采用６引腳ＴＳＯＣ的封裝形式；ＧＮＤ為電源地；ＶＤＤ為外接供電電源輸入端(采用寄生電源方式時(shí)接地)；ＤＱ為數(shù)字信號(hào)輸入／輸出端；ＮＣ為空腳。

ＤＳ１８２２內(nèi)部電路的核心是一個(gè)直接數(shù)字輸出的溫度傳感器。它可將－５５～１２５℃ 范圍內(nèi)的溫度值按９位、１０位、１１位、１２位的分辨率進(jìn)行量化，且以上的分辨率都包括一個(gè)符號(hào)位，因此對(duì)應(yīng)的溫度量化值分別是０．５℃、０．２５℃、０．１２５℃、０．０６２５℃，即最高分辨率為０．０６２５℃，工作電壓范圍為３．０～５．５Ｖ。每一片ＤＳ１８２２都有一個(gè)唯一的且不可改寫(xiě)的ＲＯＭ ＩＤ標(biāo)識(shí)碼（電子序列號(hào)），在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)指令方便地進(jìn)行查詢。

ＤＳ１８２２的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示。

２ DS1822的基本操作指令

ＤＳ１８２０的操作指令分為ＲＯＭ操作指令和存儲(chǔ)器操作指令。

２．１ ＲＯＭ操作指令及其功能說(shuō)明

Ｒｅａｄ ＲＯＭ指令（代碼為３３ｈ）：如果總線上只有一片ＤＳ１８２２，則允許總線主機(jī)讀取ＤＳ１８２２的序列號(hào)，若在線ＤＳ１８２２多于一個(gè)時(shí)，它們將同時(shí)發(fā)送ＩＤ，這樣就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突。

    Ｍａｔｃｈ ＲＯＭ指令（代碼為５５ｈ）：多個(gè)ＤＳ１８２２在線時(shí)，主機(jī)可用此命令匹配一個(gè)給定序列號(hào)的ＤＳ１８２２，此后的命令就針對(duì)該ＤＳ１８２２。該命令適用于單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)兩種場(chǎng)合。

Ｓｋｉｐ ＲＯＭ指令（代碼為ＣＣｈ）：該命令用在單節(jié)點(diǎn)總線系統(tǒng)中可以節(jié)省時(shí)間，這時(shí)主機(jī)不需發(fā)送６４位ＲＯＭ ＩＤ就能直接訪問(wèn)芯片的ＲＡＭ存儲(chǔ)器。

Ｓｅａｒｃｈ ＲＯＭ指令（代碼為Ｆ０ｈ）：用以讀取在線的ＤＳ１８２２的序列號(hào)。

Ａｌａｒｍ Ｓｅａｒｃｈ指令（代碼為ＥＣｈ）：當(dāng)檢測(cè)到溫度超出所規(guī)定的門限值時(shí)，此命令可以讀出報(bào)警的ＤＳ１８２２。

２．２ 存儲(chǔ)器操作指令及其功能說(shuō)明

Ｗｒｉｔｅ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令（代碼為４Ｅｈ）：將溫度報(bào)警上限值與下限值分別寫(xiě)入ＤＳ１８２２便箋式存儲(chǔ)器的ＴＨ與ＴＬ字節(jié)中。

Ｒｅａｄ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令（代碼為ＢＥｈ）：讀取便箋式寄存器中的溫度值。

Ｃｏｐｙ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令（代碼為４８ｈ）：將便箋式存儲(chǔ)器ＴＨ／ＴＬ中的內(nèi)容復(fù)制到ＳＲＡＭ中，保證溫度值不丟失。

    Ｃｏｎｖｅｒｔ Ｔ指令（代碼為４４ｈ）：?jiǎn)?dòng)在線ＤＳ１８２２做溫度Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。

Ｒｅｃａｌｌ ＳＲＡＭ指令（代碼為Ｂ８ｈ）：利用該指令可以將存儲(chǔ)在ＳＲＡＭ中的溫度報(bào)警觸發(fā)值回讀到便箋式存儲(chǔ)器中。上電時(shí)ＤＳ１８２２會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一次回讀操作，以保證器件上電后便箋式存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)是有效的。

Ｒｅａｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ指令（代碼為Ｂ４ｈ）：如果主機(jī)在發(fā)出該命令后再輸出讀時(shí)隙，那么，器件就會(huì)送出它所使用的電源信息：其中“０”為寄生電源；“１”為外部電源。

３　DS1822的測(cè)溫原理

用ＤＳ１８２２一線式數(shù)字溫度芯片測(cè)量溫度的原理如圖３所示。它沒(méi)有采用傳統(tǒng)的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換原理，如逐次逼近法、雙積分式和算術(shù)Ａ／Ｄ等，而是運(yùn)用了一種將溫度直接轉(zhuǎn)換為頻率的時(shí)鐘計(jì)數(shù)法，計(jì)數(shù)時(shí)鐘由溫度系數(shù)很低的振蕩器產(chǎn)生，因而非常穩(wěn)定；而計(jì)數(shù)的閘門周期則由溫度系數(shù)很高（即對(duì)溫度非常敏感）的振蕩器來(lái)決定。

計(jì)數(shù)器中的預(yù)置值以－５５℃時(shí)的計(jì)數(shù)值為基準(zhǔn)，在閘門開(kāi)放計(jì)數(shù)期間，每當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到０，則溫度寄存器就加１，溫度寄存器中的預(yù)置值也以－５５℃的測(cè)量值為基準(zhǔn)。同時(shí)計(jì)數(shù)器的預(yù)置值還與斜坡累加器電路有關(guān)，該電路用于補(bǔ)償振蕩器對(duì)溫度的拋物線特性，因此還要用時(shí)鐘脈沖針對(duì)這個(gè)非線形校正預(yù)置值作計(jì)數(shù)操作，直至計(jì)數(shù)值達(dá)到０為止，如果此時(shí)閘門還未關(guān)閉，則再重復(fù)計(jì)數(shù)過(guò)程。斜坡累加器補(bǔ)償了振蕩器對(duì)溫度的非線形特性，從而可以獲得較高的溫度測(cè)量分辨率，改變相對(duì)于測(cè)溫量化級(jí)的計(jì)數(shù)量大小即可獲得不同的分辨率。

４ DS1822一線總線的接口電路

ＤＳ１８２２的總線接口電路如圖４所示，其中圖（ａ）為使用寄生電源的接法，即通過(guò)總線給ＤＳ１８２２供電，圖（ｂ）為采用外接電源的接法。

從兩種接法來(lái)看，ＤＳ１８２２測(cè)量溫度時(shí)無(wú)需外接元件，電路簡(jiǎn)單。ＤＳ１８２２的工作電流為１．５ｍＡ。應(yīng)當(dāng)注意：當(dāng)溫度高于１００℃時(shí)，不能使用寄生電源，因?yàn)榇藭r(shí)器件中較大的漏電流會(huì)使總線不能可靠檢測(cè)高低電平，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率的增大。

５ DS1822的測(cè)溫過(guò)程

在測(cè)溫時(shí)對(duì)ＤＳ１８２２進(jìn)行操作的步驟如下：

⑴ 初始化（Ｒｅａｄ ＲＯＭ指令，代碼３３ｈ），每次對(duì)ＤＳ１８２０進(jìn)行操作之前都要對(duì)其進(jìn)行初始化，主要目的在于確定溫度傳感器是否已經(jīng)連接到單總線上。

(２) 查找ＤＳ１８２２（Ｓｅａｒｃｈ ＲＯＭ指令，代碼Ｆ０ｈ），該指令可使處理器通過(guò)排除法來(lái)辨別總線上的ＤＳ１８２２。

(３)匹配ＤＳ１８２２（Ｍａｔｃｈ ＲＯＭ指令，代碼５５ｈ），只有完全符合６４位ＲＯＭ序列的ＤＳ１８２２才能響應(yīng)其后的指令，當(dāng)然，單點(diǎn)測(cè)溫時(shí)可以使用Ｓｋｉｐ ＲＯＭ（ＣＣｈ）指令來(lái)跳過(guò)這一步。

(４)發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令（Ｃｏｎｖｅｒｔ Ｔ指令 代碼４４ｈ），發(fā)送該指令后應(yīng)查詢總線上的電平，當(dāng)電平為高時(shí)，溫度轉(zhuǎn)換完成。

(５)讀取溫度值（Ｒｅａｄ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令 代碼ＢＥｈ），將該指令發(fā)出后，就可從總線上讀取表示溫度的兩字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)。

整個(gè)測(cè)溫過(guò)程中的第４、５步才是ＤＳ１８２２進(jìn)行測(cè)溫并將結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換和輸出的過(guò)程。ＤＳ１８２２接收到轉(zhuǎn)換命令（４４ｈ）將立刻實(shí)施溫度轉(zhuǎn)換并將結(jié)果存儲(chǔ)到１６位便箋式存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)格式為符號(hào)位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼，然后用讀便箋式存儲(chǔ)器命令（ＢＥｈ）將所得數(shù)據(jù)順序置于總線上，最低位在前，最高位定義為符號(hào)位以表示溫度的正負(fù)。ＤＳ１８２２溫度與數(shù)字輸出典型值的對(duì)照表如表１所列。

表1 DS1822溫度與數(shù)字輸出的典型值

６ DS1822的報(bào)警操作

ＤＳ１８２２完成溫度轉(zhuǎn)換之后，其溫度值將和ＴＨ與ＴＬ中存儲(chǔ)的觸發(fā)門限值相比較，由于這兩個(gè)閾值只有８位，因此比較時(shí)測(cè)量值中相應(yīng)的幾個(gè)低位將被忽略，ＴＨ和ＴＬ中的最高位直接對(duì)應(yīng)１６位溫度存儲(chǔ)器中的符號(hào)位。如果比較的結(jié)果表明測(cè)量值高于ＴＨ中設(shè)定的上限溫度值或低于ＴＬ中設(shè)定的下限溫度值，則設(shè)置報(bào)警標(biāo)志，該標(biāo)志每次測(cè)量溫度時(shí)都要進(jìn)行更新。一旦報(bào)警標(biāo)志設(shè)置后，器件就會(huì)響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令，這種處理方式使得并接的多個(gè)ＤＳ１８２２可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。如果某些點(diǎn)上的溫度超過(guò)設(shè)定的閾值，則這些報(bào)警的器件就能被及時(shí)識(shí)別出來(lái)，主機(jī)不必一個(gè)一個(gè)地讀取，比較判斷哪些是越界報(bào)警的器件。

７ DS1822中的存儲(chǔ)器

ＤＳ１８２２的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如表２所列。它由９個(gè)字節(jié)的便箋式存儲(chǔ)器和３個(gè)易失性ＳＲＡＭ組成，便箋式存儲(chǔ)器方便了一線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。通常情況下，首先用寫(xiě)便箋式存儲(chǔ)器命令（４Ｅｈ）寫(xiě)入數(shù)據(jù)，然后用讀便箋式存儲(chǔ)器命令（ＢＥｈ）進(jìn)行校驗(yàn)，最后通過(guò)復(fù)制便箋式存儲(chǔ)器命令（４８ｈ）將該數(shù)據(jù)寫(xiě)入ＳＲＡＭ。

表2 DS1822D的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

表3 有關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)表

便箋式存儲(chǔ)器由９個(gè)字節(jié)組成，第０、１字節(jié)存放溫度測(cè)量值；第２、３字節(jié)用于高、低門限設(shè)置；第４字節(jié)是配置存儲(chǔ)器；第５、６、７字節(jié)保留而未使用，讀取時(shí)各位均為１；第８字節(jié)可通過(guò)讀便箋式存儲(chǔ)器命令讀出，用于存放前８?jìng)€(gè)字節(jié)的ＣＲＣ校驗(yàn)值。易失性ＳＲＡＭ主要用于復(fù)制，每次上電時(shí)它們都會(huì)被刷新。

而便箋式存儲(chǔ)器第４字節(jié)的配置存儲(chǔ)器主要用于設(shè)置溫度的測(cè)量分辨率，該字節(jié)的數(shù)據(jù)格式如圖５所示。其中ｂｉｔ７讀時(shí)總為０，ｂｉｔ４～ｂｉｔ０讀時(shí)總為１，寫(xiě)入時(shí)這些位的取值可以是任意的。由圖５可知該配置寄存器實(shí)際上只用了ｂｉｔ６與ｂｉｔ５兩位，用以定義分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表３所列，上電時(shí)的默認(rèn)分辨率為１２位，但轉(zhuǎn)換速率最低。由該表還可以看出，當(dāng)分辨率提高１位時(shí)，轉(zhuǎn)換速率成倍下降，這在實(shí)際應(yīng)用中是需要考慮的，必須根據(jù)實(shí)際需要來(lái)權(quán)衡分辨率與速率之間的關(guān)系。

８ DS1822的應(yīng)用電路

由ＤＳ１８２２與ＤＺＴ－５１２單總線溫度巡檢儀組成的測(cè)溫電路如圖６所示，通過(guò)ＤＺＴ－５１２單總線溫度巡檢儀就可對(duì)單總線上所有的ＤＳ１８２２進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、并完成顯示及報(bào)警設(shè)定，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)距離達(dá)６００米，ＤＳ１８２２經(jīng)ＲＳ２３２口與ＤＺＴ－５１２相連，將溫度數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。從圖中可看出，由ＤＳ１８２２組成的測(cè)溫系統(tǒng)具有布線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低的特點(diǎn)。

９ 結(jié)束語(yǔ)

單總線技術(shù)以其線路簡(jiǎn)單、硬件開(kāi)銷小、成本低廉、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)有著無(wú)可比擬的應(yīng)用前景。基于單總線技術(shù)的ＤＳ１８２２在未來(lái)的測(cè)溫領(lǐng)域中必將得到廣泛的應(yīng)用。