基于LPC2214和μC/OS-II的iButton接口

摘要：為了在電力設(shè)備點(diǎn)檢中正確區(qū)分各設(shè)備，采用iButton作為設(shè)備的電子數(shù)據(jù)標(biāo)識。通過對iButton初始化及寫入相應(yīng)的操作時(shí)序，從硬件接口和軟件編程兩個(gè)方面，詳細(xì)介紹在μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中使用LPC2214讀取iButton 64位標(biāo)識碼的設(shè)計(jì)方法。其接口設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于點(diǎn)檢機(jī)中。

關(guān)鍵詞：iButton 1-Wire LPC2214 μC/OS-II

　　電力設(shè)備點(diǎn)檢管理是利用檢測設(shè)備和儀器，按照預(yù)先制訂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，定人、定點(diǎn)、定路線、定周期、定方法、定檢查記錄，施行全過程對運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查。點(diǎn)檢人員按要求將手持的個(gè)人點(diǎn)檢機(jī)與安置在設(shè)備現(xiàn)場的ID鈕扣相接觸后，該位置相應(yīng)的若干作業(yè)指令應(yīng)逐條顯示在個(gè)人點(diǎn)檢服務(wù)器上，指導(dǎo)各相關(guān)崗位人員完成點(diǎn)檢工作；同時(shí)，采集的設(shè)備現(xiàn)場信息以數(shù)字形式被記錄在點(diǎn)檢器的存儲(chǔ)器中，方便地上傳給計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。Dallas公司生產(chǎn)的iButton系列產(chǎn)品為工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用和信息識別技術(shù)研究創(chuàng)造了條件。

　　iButton(信息鈕扣)的物理結(jié)構(gòu)是一個(gè)封裝在扁圓型不銹鋼外殼里的直徑為16 mm、厚度為3～6 mm的微型計(jì)算機(jī)晶片，是一種攜帶自動(dòng)識別號的電子數(shù)據(jù)標(biāo)簽。先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念及封裝形式賦予了iButton超強(qiáng)的抗沖擊、防靜電、防腐蝕、防水、防摩擦等性能，具有IC卡、磁卡等信息載體無法比擬的優(yōu)勢;極大地滿足系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性方面的要求，可確保十年以上的使用壽命。在以 LPC2214設(shè)計(jì)的點(diǎn)檢機(jī)中，iButton得到了充分的應(yīng)用。下面以DS1990A為例，對其與LPC2214之間一線串行通信方式進(jìn)行研究。

1 DS1990A的性能特點(diǎn)

　　堅(jiān)固耐用的iButton具有優(yōu)秀的環(huán)境適應(yīng)能力，可防塵、防潮和防震。這種緊湊的鈕扣外形使其自動(dòng)對準(zhǔn)相應(yīng)的探測器，易于人工操作使用。各種附件使DS1990A在巡檢、物流等現(xiàn)代化管理系統(tǒng)中具有不可替代的作用。其主要性能指標(biāo)如下：

　　◆ 工廠刻入的64位ROM包括48位唯一序列碼、8位CRC校驗(yàn)碼和8位家族碼(01H)。
　　◆ 通過單線與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳輸速率可達(dá)16.3 kbps。
　　◆ 標(biāo)準(zhǔn)16 mm直徑和1Wire協(xié)議保證了與其他iButton產(chǎn)品的兼容性。
　　◆ 讀取時(shí)間可在5 ms 以內(nèi)。
　　◆ 溫度范圍-40～+85℃

2 DS1990A與LPC2214硬件接口設(shè)計(jì)

　　1-Wire是在一條總線上連接1個(gè)主控器和多個(gè)從機(jī)設(shè)備的系統(tǒng)。在任何情況下，DS1990A都是從機(jī)設(shè)備，而總線控制器常由微控制器充任。1-Wire總線定義了1根信號線，所以讓總線上每個(gè)設(shè)備都在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻運(yùn)行。DS1990A為漏級開路輸出，總線主控制器可以采用與其一致的等效電路。在主控制器端需加1個(gè)上拉電阻，在短距離傳輸情況下上拉電阻約為5 kΩ。1個(gè)多點(diǎn)系統(tǒng)由1個(gè)1-Wire總線和連接在上面的多個(gè)從機(jī)設(shè)備組成。

　　1-Wire單總線的閑置狀態(tài)為高電平。不管是何種原因，當(dāng)傳輸操作過程需要暫停下來，且要求傳送過程還能繼續(xù)時(shí)，總線必須處于閑置狀態(tài)；如果情況不是這樣或者總線保持低電平超過120 μs，那總線上的所有器件將要復(fù)位。

　　DS1990A與LPC2214的接口電路如圖1所示。由于LPC2214 P0口都已被點(diǎn)檢機(jī)其他部分占用，P1口均有上拉電阻，并非開漏輸出，因此需有2個(gè)I/O口接iButton。LPC2214的P1.22口接Tx，用作輸出；P1.16口接Rx，用作輸入。

　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　圖1DS1990A與LPC2214硬件接口

3 軟件設(shè)計(jì)

　　DS1990A內(nèi)建ROM僅由單根數(shù)據(jù)線訪問。依據(jù)Dallas的1-Wire協(xié)議，可以從中提取48位序列碼，8位家族碼和8位CRC校驗(yàn)碼。1-Wire通信協(xié)議規(guī)定，總線的收發(fā)按照特殊時(shí)隙下的總線狀態(tài)進(jìn)行，由主機(jī)發(fā)出的同步脈沖下降沿初始化；所有數(shù)據(jù)讀寫都按照低位在前的原則。

　　DS1990A在1-Wire總線上的數(shù)據(jù)訪問命令流程依次為：初始化、ROM功能命令、讀取數(shù)據(jù)。

3.1 初始化及應(yīng)答

　　1-Wire總線上所有的傳輸操作均由初始化序列開始。初始化序列由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖(Reset Pulse)和從機(jī)發(fā)出的在線應(yīng)答脈沖(Presence Pulse)組成。一個(gè)復(fù)位脈沖緊跟一個(gè)在線應(yīng)答脈沖表明DS1990A就緒，可執(zhí)行恰當(dāng)?shù)腞OM命令進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

　　復(fù)位和在線應(yīng)答脈沖時(shí)序如圖2(a)所示，主機(jī)發(fā)送(Tx)一個(gè)復(fù)位脈沖(一個(gè)至少480 μs的低電平)，然后釋放信號線進(jìn)入接收模式(Rx)。此時(shí)，1-Wire總線被5 kΩ上拉電阻拉至高電平，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)線上信號的上升沿后，DS1990A等待(tPDL,15～60 μs)，然后發(fā)送在線應(yīng)答脈沖(tPDL,15～60 μs)。

3.2 讀寫操作

　　一旦主機(jī)檢測到應(yīng)答脈沖，就可以發(fā)出ROM功能命令。所有ROM操作命令的長度為8位。Read ROM的命令為[33H]或[0FH]，此命令允許總線主控器讀取DS1990A的8位家族碼、唯一的48位序列碼和8位CRC校驗(yàn)碼。此命令僅當(dāng)總線上只有一個(gè)DS1990A設(shè)備時(shí)可以使用。若總線上的從機(jī)設(shè)備超過一個(gè)，當(dāng)各設(shè)備同時(shí)發(fā)送時(shí)將會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)沖突。Search ROM的命令為[F0H]，此命令允許總線主控器采用排除法來確認(rèn)總線上所有設(shè)備的64位ROM碼。

　　讀/寫時(shí)隙的定義如圖2(b)、(c)所示，主機(jī)將數(shù)據(jù)線置低初始化所有時(shí)隙。在數(shù)據(jù)線的下降沿，通過觸發(fā)DS1990A中的延時(shí)電路使得DS1990A與主機(jī)同步；在寫時(shí)隙期間，延時(shí)電路決定何時(shí)DS1990A對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。至于讀數(shù)據(jù)的時(shí)隙，如果傳輸?shù)氖恰?”，延時(shí)電路將繼續(xù)被置低近15 μs，然后被置高；如果數(shù)據(jù)位是“1”，則iButton保持讀數(shù)據(jù)的時(shí)隙不變。

　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2復(fù)位和讀/寫時(shí)序

3.3 關(guān)鍵代碼及實(shí)現(xiàn)

　　主機(jī)和iButton的通信是通過初始化、寫數(shù)據(jù)時(shí)序、讀數(shù)據(jù)時(shí)序完成的，命令和數(shù)據(jù)的各個(gè)字節(jié)均由最低有效位開始逐位傳送。在程序中，先初始化LPC2214的Time1定時(shí)器，將其定時(shí)時(shí)間設(shè)定為10 μs，Delay子程序的作用是使其延遲time倍的10 μs。Reset、WriteByte、ReadByte分別是初始化、讀、寫1字節(jié)的子程序。在指針型函數(shù)*GetButtonID中，將iButton的64位序列碼保存在ButtonID數(shù)組中,最后返回指向這個(gè)數(shù)組的指針。（程序見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn——編者注）

結(jié)語

　　為避免設(shè)備的維修不足或檢修過剩，當(dāng)前電力設(shè)備管理正由定期檢修和計(jì)劃檢修管理體制，向預(yù)知性設(shè)備狀態(tài)檢修體制轉(zhuǎn)變，其根本目標(biāo)是提高設(shè)備可靠性、經(jīng)濟(jì)性、降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備的利用率。Dallas公司推出的智能信息載體iButton與其他類型的智能卡相比，能更好地解決電力現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，油污、灰塵、振動(dòng)、電磁等不利因素對它的干擾問題。本文提供的DS1990A與LPC2214在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSII中的接口的軟硬件設(shè)計(jì)，已在智能點(diǎn)檢機(jī)中推廣應(yīng)用。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，iButton信息識別技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，其經(jīng)濟(jì)作用會(huì)越來越大。