基于1一Wire總線的嵌入式測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1一Wire總線是美國(guó)Dallas公司的一項(xiàng)專有技術(shù)——單總線技術(shù)(1一Wire Bus Technology)，該技術(shù)在理論上每條總線連接的1一Wire器件數(shù)量可達(dá)248。支，適用于單主機(jī)、多從設(shè)備的系統(tǒng)。它與其他串行通信方式最大的不同在于它采用單根信號(hào)線雙向傳輸數(shù)據(jù)。以其節(jié)省I／0口線資源，成本低廉，體積小，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在串行數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位。
1一Wire網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成簡(jiǎn)單，一般情況下只使用電源線、地線、信號(hào)線3條線，當(dāng)使用寄電方式供電時(shí)只需電源／信號(hào)線和地線2根線。
DSl8820是Dallas公司生產(chǎn)的一種簡(jiǎn)便易用的數(shù)字式溫度傳感器。它體積小巧，溫度測(cè)量范圍廣(一55～+125℃)，測(cè)量分辨率可選，分別為0．062 5 oC，0．125℃，0．25℃，0．5℃。
1 主要器件結(jié)構(gòu)及工作原理
1．1 DSl8820結(jié)構(gòu)及工作原理
Dallas公司生產(chǎn)的DSl8820可編程單總線數(shù)據(jù)溫度傳感器共有3種封裝形式：8管腳SO封裝、8管腳μSOP封裝和3管腳TO一92封裝。該設(shè)計(jì)中為了節(jié)省空間采用3管腳的TO一92封裝，它的管腳排列圖和底視圖如圖1所示，其中GND為接地管腳，VDD為外部供電電源管腳，DQ為數(shù)據(jù)輸入／輸出管腳。
DSl8820內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括供電電路、64 b ROM、內(nèi)部存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器控制邏輯4部分。64 b ROM中存儲(chǔ)著每個(gè)DSl8820芯片獨(dú)有的64位ROM ID碼，這是系統(tǒng)用來(lái)識(shí)別DSl8820芯片的標(biāo)志。其中最低8位是DSl8820的家族碼：28H。中間48位是每片DSl8820獨(dú)有的串行碼。最高8位是用前56位計(jì)算得到的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。
內(nèi)部存儲(chǔ)器由9。Byte SRAM和3 B E。PROM組成。SRAM中：ByteO和Bytel是溫度寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)采集到的溫度值。Byte0的內(nèi)容是溫度的低8位，Bytel是溫度的高8位。。Byte2和Byte3為高低溫警報(bào)寄存器。Byte4為配置寄存器，用來(lái)設(shè)置器件溫度采集精度。這3個(gè)字節(jié)中的值可以拷貝到E。PROM中，保證掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，重新上電后E。PROM中的值將自動(dòng)重載人SRAM中。Byte5，Byte6，Byte7保留為內(nèi)部使用。Byte8存儲(chǔ)CRC碼。
DSl8820有2種供電方式：寄電方式和外部供電方式。寄電方式非常適用于需要遠(yuǎn)程溫度測(cè)量和空間受限的場(chǎng)合。當(dāng)工作于這種方式時(shí)，管腳3必須接地?？偩€處于高電平時(shí)DSl8820通過(guò)DQ管腳從1一Wire網(wǎng)絡(luò)上竊取能量并存儲(chǔ)一部分電荷到寄電電容中，總線處于低電平時(shí)釋放寄電電容中的電荷給DSl8820供電。在寄電方式中寄電電容中存儲(chǔ)的電荷能滿足DSl8820大部分操作的要求，但是當(dāng)執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)拷貝命令時(shí)操作電流提高到1．5 mA，這將導(dǎo)致內(nèi)部弱上拉電阻上產(chǎn)生不可接受的壓降，同時(shí)這個(gè)電流也高于寄電電容能夠提供的電流，所以必須外接強(qiáng)上拉電路以滿足這一類命令的要求。當(dāng)處于外部供電方式下時(shí)則不需要外接強(qiáng)上拉電路，直接通過(guò)管腳3從外部供電。
在溫度超過(guò)100℃條件時(shí)，處于寄電方式下的DSl8B20可能不能保證正常通信，所以在某些特殊場(chǎng)合下使用外部供電方式比寄電方式更加可靠。DSl8820是一種可編程的基于1一Wire總線標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字式溫度傳感器，可以通過(guò)SRAM中的配置寄存器來(lái)選擇測(cè)量分辨率，其上電默認(rèn)值為12位精度，對(duì)應(yīng)分辨率為0．062 5℃。其他可選擇的精度包括11位、 10位和9位，對(duì)應(yīng)的分辨率分別為O．125℃，O．25℃， O．5℃。DSl8820上電后處于空閑狀態(tài)，可通過(guò)微處理器發(fā)送轉(zhuǎn)換命令44H來(lái)啟動(dòng)1次溫度測(cè)量和A／D轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲(chǔ)在溫度寄存器中，此后DSl8820返回空閑狀態(tài)。如果Dsl8820處于外部供電模式，微處理器可以發(fā)送“讀時(shí)隙”來(lái)查看溫度采集轉(zhuǎn)換過(guò)程是否完畢，如果結(jié)束則應(yīng)答為1，沒(méi)結(jié)束則應(yīng)答為O。如果 DSl8820處于寄電方式下則不能使用該功能。DSl8820的溫度數(shù)據(jù)值是以攝氏度為單位的。
1．2 DS2480B介紹及工作原理
1一Wire通信協(xié)議可以通過(guò)微處理器上的一個(gè)I／O 引腳實(shí)現(xiàn)，但是要?jiǎng)?chuàng)建可靠的1一Wire網(wǎng)絡(luò)，必須提供正確的時(shí)序和適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷簲[率，如果1一Wire主機(jī)發(fā)送的時(shí)序不正確會(huì)導(dǎo)致與1一Wire從器件之間的通信間斷或完全失敗，并限制網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度。DS2480B是從串行接口到1一Wire網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的橋接器。使用這個(gè)橋接器和UART連接就能產(chǎn)生嚴(yán)格定時(shí)和電壓擺率控制的1一Wire波形，并能減輕主機(jī)產(chǎn)生1一Wire時(shí)序信號(hào)和對(duì)1一Wire總線進(jìn)行采樣的負(fù)擔(dān)。Ds2480B 接收指令與數(shù)據(jù)，執(zhí)行1一Wire操作，并將結(jié)果返回至主機(jī)。圖3為1一Wire復(fù)位操作、寫(xiě)1／讀數(shù)據(jù)操作、寫(xiě) 0操作的時(shí)序圖，這3種操作是1一Wire操作中必須具備的基本操作，幾乎所有的其他1一Wire操作都可以由這3種操作構(gòu)成。由于該設(shè)計(jì)工作在Flexible模式下，以下提供的參數(shù)都是Flexible模式下適用的參數(shù)。
1．2．1 復(fù)位／應(yīng)答時(shí)序
DS2480B接到主機(jī)復(fù)位命令后將總線拉低512 μs后釋放總線，等待2μs(短路／中斷采樣)后檢測(cè)總線上是否有短路或中斷信號(hào)，如果沒(méi)有則等待8μs(應(yīng)答采樣)后檢測(cè)總線上是否有應(yīng)答脈沖，再等待512μs(延遲)后向主機(jī)發(fā)送命令應(yīng)答字。如果總線上有短路或中斷信號(hào)則等待4 096 μs后再次檢測(cè)總線。時(shí)序如圖3所示。
1．2．2 寫(xiě)1／讀數(shù)據(jù)時(shí)序
DS2480B在寫(xiě)1／讀數(shù)據(jù)時(shí)序中先將總線拉低8～15 μs(寫(xiě)1低)，3～10μs(數(shù)據(jù)采樣)數(shù)據(jù)采樣偏移后對(duì)總線采樣并讀從器件應(yīng)答。再經(jīng)過(guò)49 μs(等待高)1／讀數(shù)據(jù)時(shí)序結(jié)束。時(shí)序圖如圖4所示。
l. 2．3 寫(xiě)0時(shí)序
DS2480B的寫(xiě)O時(shí)序中先將總線拉低57弘s(寫(xiě)O低)然后釋放總線，3～10μs后寫(xiě)0時(shí)序結(jié)束。如圖5所示。
DS2480B可以被看作包含2個(gè)靜態(tài)和多個(gè)動(dòng)態(tài)的狀態(tài)機(jī)。上電后DS2480B自動(dòng)進(jìn)入兩個(gè)靜態(tài)之一的命令模式。此時(shí)主機(jī)應(yīng)向DS2480B發(fā)送1次復(fù)位命令，用來(lái)校準(zhǔn)DS2480B內(nèi)部的時(shí)序產(chǎn)生器，所有的1一Wire通信過(guò)程都必須以復(fù)位命令開(kāi)始。此后DS2480B準(zhǔn)備好接收及執(zhí)行任何合法命令。在命令模式下微處理器可以改變1一Wire網(wǎng)絡(luò)的通信速度、供電方式、改變1一wire通信波形等。DS2480B從命令模式轉(zhuǎn)換到下一個(gè)靜態(tài)一數(shù)據(jù)模式后將從TXD管腳上收到的信息字節(jié)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的1一Wire通信波形并將從器件返回的應(yīng)答字節(jié)通過(guò)RXD管腳返回給微處理器。也就是說(shuō)對(duì)1一wire從器件DSl8820的操作必須在數(shù)據(jù)模式下進(jìn)行。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2部分。
2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
與DS2480B橋接器一起工作的UART應(yīng)支持8位字長(zhǎng)、無(wú)奇偶校驗(yàn)、9 600波特率(b／s)的通信方式。該系統(tǒng)采用Silicon公司生產(chǎn)的C8051F040作為主處理器，(；8051F040有2個(gè)uART串口，且滿足橋接器對(duì)UART的要求。溫度采集轉(zhuǎn)換芯片為Dallas公司生產(chǎn)的DSl8820。系統(tǒng)原理圖如圖6所示。
其中從C8051F040的UART到DS2480B需用1片QS3245進(jìn)行3～5 V的電平轉(zhuǎn)換。1一Wire總線上過(guò)多的噪聲會(huì)影響l—wire通信的正確性，為了濾除電路中的噪聲保護(hù)。DS2480B的1一Wire端口不受靜電損傷DS2480B的1一w管腳外接RC濾波電路。在本設(shè)計(jì)中只涉及到基本DS2480B操作，在需要進(jìn)行EPROM編程的設(shè)計(jì)中應(yīng)串接2個(gè)DS9503。
2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
給出的1一Wire總線驅(qū)動(dòng)程序是結(jié)合圖4所述電路，以C8051F040單片機(jī)為主控制器，使用內(nèi)部時(shí)鐘頻率24．5 MHz編寫(xiě)而成，其中包括DS24．80B復(fù)位子程序、DS2480B初始化子程序、總線復(fù)位子程序、溫度采集子程序、溫度值讀取子程序。C8051F040系統(tǒng)內(nèi)部有64 KB FLASH存儲(chǔ)器可以用來(lái)存儲(chǔ)程序代碼。C代碼設(shè)計(jì)調(diào)試工具為Silicon公司提供的單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。
控制器上電后，對(duì)自身和DS2480B進(jìn)行初始化并與DS2480B取得同步。由于DS2480B中沒(méi)有晶振，它必須通過(guò)采樣主機(jī)發(fā)送的字節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)自身的時(shí)基。主控制器在低于9 600波特率條件下發(fā)送1次0字節(jié)可以產(chǎn)生1次復(fù)位信號(hào)。Ds2480B復(fù)位后所有參數(shù)恢復(fù)到缺省狀態(tài)，在該設(shè)計(jì)中1一Wire網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度在10 m之內(nèi)，屬于小型長(zhǎng)度，為了取得良好的性能，選擇在“flexi—ble speed”下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)速度通信。對(duì)DS2480B復(fù)位和初始化是進(jìn)行正確1一Wire通信的前提，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)答數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度或格式不正確時(shí)，也必須重新對(duì)DS2480B復(fù)位和初始化。
所有的1一Wire操作都是從復(fù)位1一Wire總線開(kāi)始的。每次采集溫度值和讀取溫度值操作前最好對(duì)總線進(jìn)行1次復(fù)位操作，同時(shí)檢測(cè)來(lái)自總線上的從器件的在線應(yīng)答脈沖。驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖7所示，部分程序代碼如下所示：
3 結(jié) 語(yǔ)
介紹一種1一Wire總線嵌入式測(cè)溫系統(tǒng)，并給出了硬件電路及部分驅(qū)動(dòng)代碼。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展方便，占用主控制器資源少，軟件控制方便易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試等特點(diǎn)，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中。在設(shè)計(jì)成本、費(fèi)用和復(fù)雜度方面相對(duì)于CAN，RS 485等總線有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，更適合小型工控系統(tǒng)使用，在今后的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中必將有著更為廣闊的空間。
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