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微型溫度測量的數(shù)字化方案
摘要：在各種傳感器的設(shè)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(shè)計中的內(nèi)部溫度測量問題。主要討論了內(nèi)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(wǎng)關(guān)的硬件及軟件設(shè)計。此項技術(shù)已有后續(xù)的軟件開發(fā)實例。關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器DS18B20U“一線”總線網(wǎng)關(guān)
隨著技術(shù)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(nèi)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(guān)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(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變，相應(yīng)的體積也在不斷減小。在體積非常苛刻的慣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(chǎn)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(fù)合在一起，僅使用一條口線；每個芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，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(nèi)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(yīng)用。
*可通過數(shù)據(jù)線供電。
*測溫范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃的范圍內(nèi)，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(chǎn)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(wǎng)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(nèi)部ROM（只讀存儲器）中。開始8位是產(chǎn)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(jù)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(jù)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(shè)置成兩種供電方式，即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導(dǎo)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(dǎo)
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(jù)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(nèi)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(jù)。這種方式使采集的溫度數(shù)據(jù)具有很好的同步性，而且節(jié)省時間。
2“一線”網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)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(wǎng)絡(luò)上的DS18B20U芯片，所以需要研制“一線”網(wǎng)關(guān)。“一線”網(wǎng)關(guān)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(zhuǎn)換成異步串口232接口中的信息，這相當于兩種類型網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)，因此叫做“一線”網(wǎng)關(guān)�！耙痪�”網(wǎng)關(guān)由一個功能強大的8位單片機P89C668組合各種外圍芯片構(gòu)成，各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。下面介紹其設(shè)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(shè)計時應(yīng)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(yīng)加入二極管橋依據(jù)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(nèi)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(shè)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(shè)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(wǎng)絡(luò)影響。串口的二線式通訊需要兩個光耦節(jié)點，節(jié)點兩側(cè)需有獨立的供電電源。光耦器件應(yīng)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(yīng)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(shè)備的小型化是每一個項目所追求的目標之一。為了使得設(shè)備便于攜帶、使用方便，在設(shè)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(chǎn)的P89C668單片機。其內(nèi)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(jié)構(gòu)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(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計
由于使用了單片機構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，因此在完成硬件設(shè)計后，需要編制相應(yīng)的程序在單處機系統(tǒng)中運行，這樣才能最終完成“一線”網(wǎng)關(guān)的設(shè)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(wù)是通過“一線”總線采集總線上的溫度傳感器數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)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(jù)，而避免“一線”總線本身通訊速率低的難題，而且也不用關(guān)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(jù)，允許脫機運行。
系統(tǒng)自帶的EEPROM是掉電數(shù)據(jù)保存的可靠方式。8K的存儲空量和快速的區(qū)域?qū)懭敕绞阶阋詫崟r保存現(xiàn)場采集的測量數(shù)據(jù)和相應(yīng)的時間序列信息。
�。�3）聯(lián)機運行時間步采集數(shù)據(jù)，通過串口上傳PC機。
在一般的應(yīng)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(shè)備，通過通訊接收上位機的指令，并進行數(shù)據(jù)采集、保存和傳輸。這種工作方式即“一線”總線溫度傳感器網(wǎng)關(guān)的原始設(shè)計理念。
�。�4）聯(lián)機運行時保存的歷史數(shù)據(jù)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(jù)，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(jù)上傳至上位機，方便了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(shù)在某型加速度計的開發(fā)、試驗中得到了應(yīng)用。在相關(guān)試驗中，為配合溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和其它相關(guān)設(shè)備，編制了應(yīng)用軟件。溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機功能相關(guān)程序已經(jīng)內(nèi)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(jīng)過精心設(shè)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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