單總線數(shù)字溫度傳感器原理及應(yīng)用

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代儀器的發(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[1]。美國Dallas半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字化溫度傳感器DS1820采用單總線協(xié)議，即與微機接口僅需占用一個I/O端口，無需任何外部元件，直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，以9位數(shù)字碼方式串行輸出，從而大大簡化了傳感器與微處理器的接口。

2 工作原理

目前大多數(shù)傳感器系統(tǒng)都采用放大--傳輸--數(shù)模轉(zhuǎn)換這種處理模式。這種模式一般要占用數(shù)條數(shù)據(jù)/控制線，限制了單片機功能的擴展。而一線總線技術(shù)則很好地解決了這個問題。一線總線技術(shù)就是在一條總線上僅有一個主系統(tǒng)和若干個從系統(tǒng)組成的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。由于總線上的所有器件都通過一條信號線傳輸信息，總線上的每個器件在不同的時間段驅(qū)動總線，這相當(dāng)于把數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線合在了一起。所以整個系統(tǒng)要按單總線協(xié)議規(guī)定的時序進行工作。為了使其它設(shè)備也能使用這條總線，一線總線協(xié)議采用了一個三態(tài)門，使得每一個設(shè)備在不傳送數(shù)據(jù)時空出該數(shù)據(jù)線給其它設(shè)備。一線總線在外部需要一個上拉電阻器，所以在總線空閑時是高電平。掛在單總線上的器件稱為單總線器件，為了區(qū)分總線上的不同器件，生產(chǎn)單總線器件時，廠家都刻錄了一個64位的二進制ROM代碼作為芯片的唯一序列號。這樣通過尋址就可以把每個器件識別出來。64位ROM的結(jié)構(gòu)如下：開始8位是產(chǎn)品類型的編號（DS1820為10H），接著是每個器件的唯一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS1820可以采用一線進行通信的原因。

3 DS1820介紹

DS1820是美國Dallas半導(dǎo)體公司推出的第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機處理[2]。

DS1820的工作原理是：DS1820采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其中 GND為地；I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端（即單線總線），該腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平；VDD是外部+5V電源端，不用時應(yīng)接地；NC為空腳。圖1所示為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM），用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL解發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器等七部分。

DS1820特點如下：硬件接口簡單，性能穩(wěn)定，單線接口，僅需一根口線與MCU連接無需外圍元件；由總線提供電源；測溫范圍為-55～75℃；精度為0.5℃；9位溫度讀數(shù)；A/D變換時間為200ms；用戶自設(shè)定溫度報警上下限，其值是非易失性的；報警搜索命令可識別那片DS1820超溫度限。

DS1820的溫度測量原理如下[3]：DS1820測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)，其測量電路框圖如圖2所示。內(nèi)部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數(shù)，低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路，而當(dāng)?shù)竭_某一設(shè)置高溫時，振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數(shù)器設(shè)置為-55℃時的值，如果計數(shù)器到達0之前，門電路未關(guān)閉，則溫度寄存器的值將增加，這表示當(dāng)前溫度高于-55℃。同時，計數(shù)器復(fù)位在當(dāng)前溫度值上，電路對振蕩器的溫度系數(shù)進行補償，計數(shù)器重新開始計數(shù)直到回零。如果門電路仍然未關(guān)閉，則重復(fù)以上過程。溫度表示值為9bit，高位為符號位。

4 溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

由于每片DS1820含有唯一的硅串行數(shù)，所以在一條總線上可掛接多個DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息，僅需要一根口線（單線接口）。讀寫及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DS1820供電，而無需額外電源。DS1820提供9位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。對DS1820的使用，多采用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。處理時，將DS1820信號線與單片機一位口線相連，單片機可掛接多片DS1820，從而實現(xiàn)多點溫度檢測系統(tǒng)。由于DS1820只有三個引腳，其中兩根是電源線VDD和GND，另外兩根用作總線DQ(Data In/Out)，由于其輸出和輸入均是數(shù)字信號且與TTL電平兼容，因此其可以與微處理器直接進行接口，從而省去了一般傳感器所必需的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

本設(shè)計中以DS1820為傳感器、AT89C52單片機為控制核心組成的多點溫度測試系統(tǒng)如圖3所示[4]。用6只DS1820同時測控6路溫度（視實際需要還可擴展通道數(shù)）。89C52單片機P1.1口接單線總線。DS1820采用寄生電源供電方式。為保證在有效的DS1820時鐘周期內(nèi)能提供足夠的電流，圖3中采用一個MOSFET管和89C52的H.0口來完成對DS1820的總線上拉。鍵盤掃描和動態(tài)掃描的顯示共用一片可編程接口芯片8279，顯示采用8位共陰極LED數(shù)碼管，它可用來顯示通道數(shù)、溫度測量值以及TH、TL的值。

程序處理是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，即簡潔的硬件結(jié)構(gòu)是靠復(fù)雜的軟件來支持的。多個器件掛在一條總線上為了識別不同的器件，在程序設(shè)計過程中一般有四個步驟：初始化命令；傳送ROM命令；傳送RAM命令；數(shù)據(jù)交換命令。

需要注意的是，無論是單點還是多點溫度檢測，在系統(tǒng)安裝及工作之前，應(yīng)將主機逐個與DS1820掛接，讀出其序列號。其工作過程為：主機發(fā)出一個脈沖，待"0"電平大于480μs后，復(fù)位DA1820，在DS1820所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機接收后，主機再發(fā)讀ROM命令代碼33H，然后發(fā)一個脈沖（15μs），并接著讀取DS1820序列號的一位。用同樣方法讀取序列號的56位。另外，由于DS1820單線通信功能是分時完成的，遵循嚴格的時隙概念，因此，系統(tǒng)對DS1820和各種操作必須按協(xié)議進行，即初始化DS1820（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對DS1820操作的總體流程圖如圖4所示。

在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辨力為0.5℃。采用下述方法可獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用DS1820提供的讀暫存器指令（BEH）讀出以0.5℃為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測實際溫度的整數(shù)部分Tz，然后再用BEH指令取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值Cs和每度計數(shù)值CD。考慮到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25和0.75℃為進位界限的關(guān)系.

結(jié)束語

對應(yīng)于傳統(tǒng)概念，這一粒三極管一樣的傳感器相當(dāng)于傳統(tǒng)的溫度傳感器+ 數(shù)字化+ CPU+ 總線協(xié)議及接口。一線器件采用單條連線，解決了控制、通信和供電等問題，降低了系統(tǒng)成本，并簡化了設(shè)計，為未來傳感器的發(fā)展和應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域。