微型溫度測量的數(shù)字化方案

　　摘要：在各種傳感器的設計中，溫度是影響其性能指標的一個重要因素。在對體積限制很嚴格的條件下，解決了硅微加速度計設計中的內部溫度測量問題。主要討論了內嵌于加速度計的微型數(shù)字溫度傳感器DS18B20U的功能特點和使用要點，并且介紹了“一線”網關的硬件及軟件設計。此項技術已有后續(xù)的軟件開發(fā)實例。
　　關鍵詞：數(shù)字溫度傳感器DS18B20U“一線”總線網關
　　
　　隨著技術的發(fā)展，各種慣性器件的性能在不斷提高，體積也在不斷小型化。對于慣性器件（如加速度計、陀螺）性能的提高，溫度補償作為一種重要的修正方式越來越引起人們的注意，因此如何在慣性器件極小的空間內精確地測量、傳輸、處理溫度信息，成了能否使其性能和體積優(yōu)勢進一步提高的關鍵問題。
　　
　　1DS18B20U和“一線”總線
　　
　　在研制新一代的微型MMS加速度計時，溫度測量的難題以一次擺在人們的面前。在3～4cm3的空間內放置一個傳統(tǒng)的SO-8或TO-92封裝的器件都顯得擁擠，更何況還要旋轉一個非主要功能的溫度傳感器了。
　　
　　縱觀國際上現(xiàn)有的溫度傳感器的變化，總的趨勢是從模擬向數(shù)字轉變，相應的體積也在不斷減小。在體積非�？量痰膽T性器件中使用高精度、數(shù)字輸出型的溫度傳感器，MAXIM公司的DS18B20U最為符合要求。DS1820U是DS18B20系列產品中的一種。與以往模擬溫度信號的輸出不同，DS18B20的數(shù)字溫度輸出通過“一線”總線（1-Wire是被MAXIM公司收購的DALLAS公司新?lián)碛械囊环N獨特的數(shù)字信號總線協(xié)議，它將獨特的電源線和信號線復合在一起，僅使用一條口線；每個芯片唯一編碼，支持聯(lián)網尋址、零功耗等待等，是所需硬件連線最少的一種總線）這種獨特的方式，使多個DS18B20U方便地組建成傳感器網絡，為整個測量系統(tǒng)的建立和組合提供了更大可能性。
　　
　　DS18B20真正令人驚奇的是其μSOP封裝，這種封裝只有3.0mm×6.4mm的水平尺寸，高度小于1.2mm。這樣可以節(jié)省更多的印刷電路板空間，非常適合于集成度高、對尺寸要求嚴格的慣性器件電路。因此在本加速度計的狹窄空間中使用，它是最為合適的內嵌式溫度傳感器件。
　　
　　DS18B20溫度傳感器的主要性能指標為：
　　
　　*“一線”總線接口令需一個端口進行通訊。
　　
　　*簡單的多點分布應用。
　　
　　*可通過數(shù)據線供電。
　　
　　*測溫范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃的范圍內，精度為±0.5℃。
　　
　　*溫度以9～12位數(shù)字量讀出，分辨率為0.0625℃。
　　
　　*U型產品采用超小型的μSOP封裝，大大減小了體積。
　　
　　以下介紹DS18B20U的一些使用要點，更詳細的信息可以參考MAXIM公司網站提供的DS18B20的Datasheet(英文版)。
　　
　　1.1DS18B20U的溫度測量時間
　　
　　DS18B20U作為溫度傳感器。
　　
　　1.2DS18B20U的“一線”總線標識序號
　　
　　每一個DS18B20U都有一個唯一的64位的“一線”總線標識序號，存放在DS18B20U的內部ROM（只讀存儲器）中。開始8位是產品類型編碼（DS18B20編碼均為28H），接著的48位是每個器件的唯一序號，最后8位是前面56位的CRC（循環(huán)冗余校驗）碼。
　　
　　1.3DS18B20U的溫度數(shù)據表示格式
　　
　　DS18B20U中有用于存儲測得溫度值的兩個8位寄存器，它們存儲的溫度數(shù)據由兩個字節(jié)組成，分別為LSByte(低字節(jié))和MSByte(高字節(jié))，MSByte的高5位存放溫度值的符號，如果溫度為負（℃），則MSByte的高5位全為1，否則全為0。LSByte的8位和MSByte的低3位用于存放溫度值的補碼，LSB(最低位)為0.0625℃。將寄存器中的二進制數(shù)求補，就得到了被測溫度值（-55℃～+125℃）。
　　
　　1.4DS18B20U的供電方式
　　
　　DS18B20可以設置成兩種供電方式，即數(shù)據總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據總線供電方式可以節(jié)省一根導線，但由此帶來的缺點是完成溫度測量的時間較長；而采取外部供電方式則多用一根導
　　
　　
　　
　　線，但測量速度較快。注意：采用超小型μSOP封裝的DS18B20U不適合使用數(shù)據總線供電方式。
　　
　　1.5DS18B20U的多路同步測量
　　
　　每一片DS18B20在其ROM中都存在唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內ROM中。
　　
　　如圖1所示，當主機需要對眾多在線DS18B20中的某一個進行操作時，首先發(fā)出匹配ROM命令（命令代號55h），緊接著主機提供64位序列號（包括該DS18B20的48位序列號），之后的操作就是針對該DS18B20的。但是DS18B20的命令中允許對所有在線節(jié)點進行統(tǒng)一操作，利用的是跳過ROM命令（命令代號CCh）。而所謂路過ROM命令即可：之后的操作是面對總線上所有DS18B20的。命令序列先跳過ROM，啟動總線上所有DS18B20進行溫度測量，然后通過匹配ROM再逐一地讀回每個DS18B20的溫度數(shù)據。這種方式使采集的溫度數(shù)據具有很好的同步性，而且節(jié)省時間。
　　
　　2“一線”網關的硬件設計
　　
　　為了收集DS18B20U器件采集的溫度信息，需要控制掛接在“一線”總線網絡上的DS18B20U芯片，所以需要研制“一線”網關�！耙痪�”網關的主要功能就是面對試驗人員，把“一線”總線上的DS18B20U的信息轉換成異步串口232接口中的信息，這相當于兩種類型網絡之間的網關，因此叫做“一線”網關�！耙痪�”網關由一個功能強大的8位單片機P89C668組合各種外圍芯片構成，各模塊之間的關系如圖2所示。下面介紹其設計重點。
　　
　　2.1寬的工作溫度范圍
　　
　　為了不僅能夠通過“一線”總線采集溫度信息，而且能夠在工作現(xiàn)場或試驗現(xiàn)場可靠工作，需要系統(tǒng)至少能勉夠在80℃以上的高溫環(huán)境下可靠工作，因此在設計時應對工作溫度范圍予以重視。
　　
　　2.2強的抗外界電磁干擾性能
　　
　　工作在現(xiàn)場環(huán)境下，總是面對比較強烈的電磁干擾，因而需要采取更有效的措施。
　　
　　首先，在外部供電的輸入接口應加入二極管橋依據電路，防止在一些特殊條件下出現(xiàn)的電流逆向問題，同時也使得內外電路的地線隔離，起到抗干擾作用。
　　
　　由于系統(tǒng)需要和外部設備進行串口通訊，而232串口的電氣接口需要地線作為參考電平（因為外設系統(tǒng)帶來的電磁干擾可能通過相連地線傳入系統(tǒng)，引起工作異常），因此必須使用完全光耦隔離的方法來提高抗干擾能力。采用光耦隔離器件可抑制電磁干擾，保護系統(tǒng)電路不受網絡影響。串口的二線式通訊需要兩個光耦節(jié)點，節(jié)點兩側需有獨立的供電電源。光耦器件應該選擇高速類型。例如TLP113，以滿足在最高通訊速率（115200bps）下的電氣性能。電路中還應采用隔離型DC/DC模塊向串口收發(fā)器電路供電。
　　
　　2.3小的系統(tǒng)體積
　　
　　設備的小型化是每一個項目所追求的目標之一。為了使得設備便于攜帶、使用方便，在設計的初期就決定使用I2C等串行接口方式，而不使用速度雖然很快，但是卻占用大量PCB面積、連接線路以及IC管腳的并口方式。簡單的串行接口可以掛接多種不同功能的芯片。因此系統(tǒng)的主芯片選用了具有I2C接口的Philips公司生產的P89C668單片機。其內帶64KBFlash存儲器/8KBRAM存儲器，F(xiàn)lash存儲器既可以并行編程又可以串行在系統(tǒng)編程（ISP），還可以程序自我編程（IAP）。由于時鐘周期為6個時鐘，因此速度是傳統(tǒng)51結構的兩倍。
　　
　　大量使用串行接口不僅獲得了很小的體積，也使得電路的電氣連接簡單明了。
　　
　　3“一線”網關的軟件設計
　　
　　由于使用了單片機構成嵌入式系統(tǒng)，因此在完成硬件設計后，需要編制相應的程序在單處機系統(tǒng)中運行，這樣才能最終完成“一線”網關的設計。由于采用的單片機是與51系列兼容的P89C668，所以使用流行的C51語言編譯軟件KeilCV7.07a編制程序。
　　
　　系統(tǒng)的核心任務是通過“一線”總線采集總線上的溫度傳感器數(shù)據并轉發(fā)至串口，特點如下：
　　
　�。�1）利用DS18B20的總線特點，同步所有溫度采集節(jié)點的采集過程。
　　
　　在一線總線上發(fā)送同步采集指令，可以使系統(tǒng)在同一時刻采集到各個溫度測量點的溫度數(shù)據，而避免“一線”總線本身通訊速率低的難題，而且也不用關心總線上掛接傳感器的具體數(shù)量。流程圖如圖3所示。
　　
　�。�2）利用EEPROM保存采集節(jié)點的歷史溫度數(shù)據，允許脫機運行。
　　
　　系統(tǒng)自帶的EEPROM是掉電數(shù)據保存的可靠方式。8K的存儲空量和快速的區(qū)域寫入方式足以實時保存現(xiàn)場采集的測量數(shù)據和相應的時間序列信息。
　　
　�。�3）聯(lián)機運行時間步采集數(shù)據，通過串口上傳PC機。
　　
　　在一般的應用方式下，系統(tǒng)通過串口連接現(xiàn)場的PC機或其它上位設備，通過通訊接收上位機的指令，并進行數(shù)據采集、保存和傳輸。這種工作方式即“一線”總線溫度傳感器網關的原始設計理念。
　　
　�。�4）聯(lián)機運行時保存的歷史數(shù)據通過串口上傳PC機。
　　
　　
　　
　　
　　由于系統(tǒng)可以保存脫機時采集的溫度數(shù)據，因此可以在聯(lián)機工作時接收命令，通過串口把保存在EEPROM中的歷史數(shù)據上傳至上位機，方便了數(shù)據的轉移、備份和分析。
　　
　　所以，上位機可以是最普通的PC機（至少具有一個標準232串口），也可以是具有串行232接口的嵌入式系統(tǒng)。
　　
　　4溫度測量數(shù)字化方案的使用實例
　　
　　本文介紹的技術在某型加速度計的開發(fā)、試驗中得到了應用。在相關試驗中，為配合溫度數(shù)據采集系統(tǒng)和其它相關設備，編制了應用軟件。溫度數(shù)據采集系統(tǒng)的上位機功能相關程序已經內嵌入該軟件之中。
　　
　　配套開發(fā)的PC機（上位機）控制軟件，其編程環(huán)境為：
　　
　　系統(tǒng)平臺-Windows2000ProSP4中文版
　　
　　開發(fā)平臺-VisualC++6英文版
　　
　　以上方案經過精心設計，在多方努力下成功運用到某新型MEMS加速度計的研制過程中，取得了良好的效果。
　　

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