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微型溫度測量的數字化方案
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。此項技術已有后續的軟件開發實例。關鍵詞：數字溫度傳感器DS18B20U“一線”總線網關
隨著技術的發展，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。
縱觀國際上現有的溫度傳感器的變化，總的趨勢是從模擬向數字轉變，相應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公司新擁有的一種獨特的數字信號總線協議，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（循環冗余校驗）碼。
1.3DS18B20U的溫度數據表示格式
DS18B20U中有用于存儲測得溫度值的兩個8位寄存器，它們存儲的溫度數據由兩個字節組成，分別為LSByte(低字節)和MSByte(高字節)，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，即數據總線供電方式和外部供電方式。采取數據總線供電方式可以節省一根導線，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點進行統一操作，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的溫度數據。這種方式使采集的溫度數據具有很好的同步性，而且節省時間。
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。“一線”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。“一線”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，而且能夠在工作現場或試驗現場可靠工作，需要系統至少能勉夠在80℃以上的高溫環境下可靠工作，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
工作在現場環境下，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（因為外設系統帶來的電磁干擾可能通過相連地線傳入系統，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，保護系統電路不受網絡影響。串口的二線式通訊需要兩個光耦節點，節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模塊向串口收發器電路供電。
2.3小的系統體積
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，Flash存儲器既可以并行編程又可以串行在系統編程（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，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。
系統的核心任務是通過“一線”總線采集總線上的溫度傳感器數據并轉發至串口，特點如下：
（1）利用DS18B20的總線特點，同步所有溫度采集節點的采集過程。
在一線總線上發送同步采集指令，可以使系統在同一時刻采集到各個溫度測量點的溫度數據，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量。流程圖如圖3所示。
（2）利用EEPROM保存采集節點的歷史溫度數據，允許脫機運行。
系統自帶的EEPROM是掉電數據保存的可靠方式。8K的存儲空量和快速的區域寫入方式足以實時保存現場采集的測量數據和相應的時間序列信息。
（3）聯機運行時間步采集數據，通過串口上傳PC機。
在一般的應用方式下，系統通過串口連接現場的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）聯機運行時保存的歷史數據通過串口上傳PC機。
由于系統可以保存脫機時采集的溫度數據，因此可以在聯機工作時接收命令，通過串口把保存在EEPROM中的歷史數據上傳至上位機，方便了數據的轉移、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。
4溫度測量數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、試驗中得到了應用。在相關試驗中，為配合溫度數據采集系統和其它相關設備，編制了應用軟件。溫度數據采集系統的上位機功能相關程序已經內嵌入該軟件之中。
配套開發的PC機（上位機）控制軟件，其編程環境為：
系統平臺-Windows2000ProSP4中文版
開發平臺-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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