用I2C總線實(shí)現(xiàn)AD7416的多點(diǎn)溫控系統(tǒng)

1 AD7416器件結(jié)構(gòu) AD7416采用節(jié)省空間的SO-8和小型SOIC封裝。

AD7416引腳說(shuō)明 引腳號(hào) 名 稱 說(shuō) 明 1 SDA 數(shù)字I/O。雙向數(shù)據(jù)串行總線，漏極開(kāi)路輸出 2 SCL 數(shù)字輸入。串行總線時(shí)鐘 3 OTI 數(shù)字輸出。超溫掉電輸出(漏極開(kāi)路) 4 GND 電源地 5～7 A2～A0 數(shù)字輸入。串行總線地址可編程低3位 8 +VS 正電源電壓，+2.7～+5.5V 2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì) 用單片機(jī)AT89C2051來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7416的信號(hào)采集和輸出控制，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，系統(tǒng)溫度節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展性強(qiáng)。為確保系統(tǒng)不受電源波動(dòng)的干擾，采用電源電壓監(jiān)視器TL7705A作系統(tǒng)復(fù)位控制器。如果AD7416要裝在離電源較遠(yuǎn)處，AD7416必須用一個(gè)0.1μF的陶瓷電容接在+VS和地之間去耦。

如所有的I2C兼容器件一樣，AD7416有一個(gè)7位串行地址。這個(gè)地址的高4位設(shè)定為1001，而低3位可由用戶通過(guò)將A2～A0腳連接到無(wú)論是+VS或GND來(lái)設(shè)置。通過(guò)它們不同的設(shè)定地址，可將多達(dá)8個(gè)AD7416接到一條串行總線，超過(guò)8個(gè)，則將與總線上的其它器件發(fā)生沖突。 如果需要采集更多的溫度節(jié)點(diǎn)，可采用多條串行總線的形式來(lái)擴(kuò)展。 此例中，AT89C2051的P1，1腳用作I2C串行總線的時(shí)鐘信號(hào)線，P1.0腳用作雙向串行數(shù)據(jù)總線。通過(guò)從硬件上將AD7416的地址引腳A0、 A1、A2接至不同電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每片AD7416的編址。

2.2 寄存器結(jié)構(gòu)

對(duì)AD7416編程要注意其內(nèi)部寄存器的結(jié)構(gòu)，每片AD7416有5個(gè)內(nèi)部寄存器，其中4個(gè)是數(shù)字寄存器而1個(gè)是地址指針寄存器。地址指針寄存器是一個(gè)8位寄存器，儲(chǔ)存指向4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器之一的地址。AD7416每一次串行寫(xiě)操作的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)是數(shù)據(jù)寄存器的地址，這就是隨后的數(shù)據(jù)字節(jié)要寫(xiě)入的地址。這個(gè)寄存器只須最低兩位被用來(lái)選擇一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，。

地址指針寄存器 P7* P6* P5* P4* P3* P2* P1* 0 0 0 0 0 0 0 地址指針寄存器最低兩位所選的數(shù)據(jù)寄存器。

寄存器地址 P1 P0 寄存器 0 0 溫度值(只讀，上電缺省) 0 1 配置(讀/寫(xiě)) 1 0 THYST(讀/寫(xiě)) 1 1 TOTI(讀/寫(xiě)) 溫度值寄存器是一個(gè)16位只讀寄存器，它的高10位以2的補(bǔ)碼格式儲(chǔ)存由A/D轉(zhuǎn)換器送來(lái)10位溫度讀數(shù)，低6位未用。溫度數(shù)據(jù)格式。

溫度數(shù)據(jù)格式 溫度/℃ 數(shù)字輸出 溫度/℃ 數(shù)字輸出 -75 10 1101 0100 +0.25 00 0000 0001 -50 11 0011 1000 +10 0 0001 01000 -25 11 1001 1100 +25 0 0011 00100 -0.25 11 1111 1111 +50 0 0110 01000 0 00 0000 0000 +75 0 1001 01100 配置寄存器是一個(gè)8位讀/寫(xiě)寄存器，用來(lái)設(shè)置AD7416的工作方式。 TRYST設(shè)點(diǎn)寄存器是一個(gè)16位讀/寫(xiě)寄存器，它的9個(gè)最高位儲(chǔ)存以2的補(bǔ)碼格式表示的低溫度門(mén)限設(shè)點(diǎn)。 TOT1設(shè)點(diǎn)寄存器是一個(gè)16位讀/寫(xiě)寄存器，它的9個(gè)最高位存儲(chǔ)以2的補(bǔ)碼格式表示的高溫度門(mén)限設(shè)點(diǎn)。 AD7416上電時(shí)地址指針指向溫度值寄存器，TOT1設(shè)點(diǎn)寄存器的值為80℃，THYST設(shè)點(diǎn)寄存器的值為75℃，這些缺省使得AD7416可以用于標(biāo)準(zhǔn)的恒溫器而不需要與任何行總線連接。

2.3 工作方式選擇 AD7416有兩種工作方式，方式的選擇由系統(tǒng)工作情況來(lái)決定。 在工作方式1情況下，配置寄存器高3位D7～D5必須保持位0，最低位D0=0為正常工作方式。每400μs進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，器件將部分地降低功耗(典型情況為350μA)，直至下一次轉(zhuǎn)換開(kāi)始。 工作方式2由配置寄存器的最低位D0=1來(lái)啟動(dòng)，適合于比較慢的速率測(cè)溫系統(tǒng)中。通過(guò)寫(xiě)AD7416使之進(jìn)入一個(gè)在兩次讀操作之間處于全掉電狀態(tài)，這樣，器件的功耗可以更低。在全掉電時(shí)，電流消耗典型值為0.2μA。

2.4 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用虛擬I2C總線軟件包VIIC[1]，該軟件包具有最佳包容性設(shè)計(jì)、歸一化設(shè)計(jì)以及應(yīng)用界面設(shè)計(jì)等特色。在此軟件包為平臺(tái)來(lái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)可以不必了解I2C總線原理、協(xié)議和時(shí)序，只要了解該軟件包的應(yīng)用操作即可，使程序更具模塊化、調(diào)試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 軟件包規(guī)定了讀/寫(xiě)N字節(jié)數(shù)據(jù)子程序?yàn)槲┮怀隹诮缑?，因此，由調(diào)用該讀/寫(xiě)子程序及滿足調(diào)用操作的初始化操作的三條命令即構(gòu)成軟件包的應(yīng)用界面，即 MOV SLA，#SLAW/SLAR ;尋址字節(jié)存放單元存放總線 ;上節(jié)點(diǎn)尋址并確定數(shù)據(jù)傳送方向 MOV NUMBYT，#N ;傳送字節(jié)數(shù)存儲(chǔ)單元存放 ;需要傳送的N字節(jié) LCALL WRNBYT/RDNBYT：調(diào)用讀/寫(xiě)N字節(jié)數(shù)據(jù)子程序 三條初始化命令決定了CPU對(duì)總線上節(jié)點(diǎn)的尋址和數(shù)據(jù)傳送方向以及需要傳送的字節(jié)數(shù)N。在具體應(yīng)用該軟件包時(shí)，只需要對(duì)軟件包的應(yīng)用界面進(jìn)行操作即可，從而避免了設(shè)計(jì)者必須從I2C總線原理上對(duì)擴(kuò)展的I2C總線外圍器件進(jìn)行繁瑣的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)程序流程如圖4所示。 讀兩字節(jié)的溫度值寄存器時(shí)序。

3 遠(yuǎn)程離溫度數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)方法

本實(shí)例中要求測(cè)量近20m的溫度節(jié)點(diǎn)，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，沒(méi)有使用緩沖器進(jìn)行驅(qū)動(dòng);而通過(guò)加適當(dāng)?shù)纳侠娮?，以獲得一定的上拉電流使信號(hào)采集可靠。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，上拉電阻值由I2C總線系統(tǒng)中信號(hào)所需的上升時(shí)間決定。近似地認(rèn)為整修系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)為1μs。對(duì)于每個(gè)分別的總線，其上拉電阻計(jì)算式為 Rp=1μs/(Cd+Cw) 式中：Cd為連到每個(gè)總線上的器件電容的和;Cw為每個(gè)線上的全部導(dǎo)線電容和雜散電容。 系統(tǒng)中電容估算：I2C器件電容約為80 pF;雜散電容約為80 pF;導(dǎo)線電容約為1500 pF。因此，總線系統(tǒng)的上拉電阻為 Rp=1μs/(80pF+80pF+1500pF)=602Ω 為使數(shù)據(jù)采集可靠，選用了Rp=510Ω的電阻。由于上拉電阻受到最大拉電流限制，所以應(yīng)檢查上拉電流不超過(guò)30mA。本例上拉電流(5-0.4)V/Rp=9.02mA<30mA，檢查通過(guò)。 調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，降低上拉電阻阻值后大大改善了通信情況，但有時(shí)仍然會(huì)有誤碼現(xiàn)象出現(xiàn)，于是在軟件上降低了通信的頻率。將頻率由400 kb/s降低到200 kb/s，通過(guò)放慢通信速度來(lái)提高通信可靠性。實(shí)際證明，處理之后的溫度值讀取穩(wěn)定可靠。

結(jié)束語(yǔ) 筆者用AD7416所設(shè)計(jì)的多路溫濕度循環(huán)檢測(cè)控制儀，溫度檢測(cè)準(zhǔn)確可靠，不易受環(huán)境干擾，為整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了可靠性保障。