由DSl8820构成的多点温度测量系统

摘要 介绍一种基于数字温度传感器芯片DSl8820的高精度、多点温度测量系统设计方案；阐述单总线数字温度传感器DSl8820的基本工作原理和使用方法；主要分析由多个DSl8820组成的温度传感器网络的自动搜索算法，井给出系统设计实例。
关键词 温度测量 数字温度传感器 单线总线 搜索算法

引 言
    在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DSl8820，具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用I/O端口即可完成与微处理器的通信；在一10～+85℃温度范围内具有±O．5℃精度；用户可编程设定9～12位的分辨率。以上特性使得DSl8820非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。

1 DSl8820简介
1．1 DSl8820的特点
    DSl8820是美国Dallas半导体公司继DSl820之后最新推出的一种改进型智能数字温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过编程实现9～12位的数字值读数方式；可以分别在93．75ms和75O ms内完成9位和12位的数字量；从DSl8820读出信息或写入DSl8820信息仅需要1根口线(单线接口)；温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DSl8820供电，而无需额外电源。使用DSl8820可使系统结构更趋简单，可靠性更高。DSl8820在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DSl820有了很大的改进。
1．2 DSl8820内部结构及工作原理
    DSl8820的内部结构如图1所示，主要包括寄生电源电路、64位只读存储器(ROM)和单线接口、存储器和控制逻辑、存放中间数据的高速暂存存储器、温度传感器、报警上限寄存器TH、报警下限寄存器TL、配置寄存器和8位CRC(循环冗余校验码)发生器。

    DSl8820的核心是其数字温度传感器，精度可以通过用户编程配置为9、10、ll和12位，其分别对应于0．5℃、O，25℃、O．125℃和0．062 5℃，可以满足各种不同的分辨率要求。开始一次温度转换时，微处理器需要向DSl8820发出Convert T指令。转换完成之后，该温度数据存放在高速暂存存储器的温度寄存器中，占用2字节，并且DSl8820返回到空闲状态。当DSl8820采用外部供电方式时，主机可以在发送温度转换指令后发起一次读时隙。若此时该DSl8820已经完成温度转换，它将会返回“1”，否则返回“0”。

2 温度测量系统设计
    由DS18820和美国Microchip公司推出的PIC单片机PICl8F8620以及相关外围电路组成的高精度、多点温度测量系统的结构框图如图2所示。系统采用6片DSl8820构成小型温度传感器网络，通过单线连接方式连接至微处理器的通用I／O端口RB0。其中DSl8820的分辨率为11位模式，即O．125℃。微处理器通过单线协泌与温度传感器网络实现通信。微处理器获得温度信息后，通过特定的算法，将处理后的温度信息通过USB口或RS485接口传送至上位机。

2．1 DSl8820的自动搜索算法
    由于系统中使用了多片DS18B20构成温度传感器网络，因此，如何准确、有效地对每一温度传感器进行寻址成为该系统设计的一个核心问题。结合DS18820的实际特点和系统的需求，提出如下解决方案：首先利用DS18820的内部报警上限寄存器(如图1所示，以下简称“TH寄存器”)存放温度传感器的编号，并将其编号贴在温度传感器表面。由于TH寄存器具有掉电不丢失数据功能，因此，便把每片DSl8820的唯一64位注册码及其编号一一对应起来。这一过程需要对DSl8820进行单独编程。然后，将确定好编号的温度传感器接入单线网络，利用DSl8820特有的单线网络自动搜索功能，即可搜寻到每片DSl8820的注册码，再利用该注册码和相应的ROM操作指令，即可从每片DSl8820的TH寄存器中读出相应的设定编号，实现每片DS18820的寻址功能。下面重点介绍一下该自动搜索功能。
    每片DS18820有唯一的64位注册码，存储在只读存储器(ROM)中，其结构如下：

   
    其中低8位是产品的工厂代码(DSl882(1为28H)，接着是每个器件的唯一序号，共48位，最高8位是前56位的循环冗余校验码。这就准许总线主机对总线上特定的DS18820进行寻址。只有与64位注册码严格相符的DSl8820，才能对后续的操作作出反应。所有与64位注册码不符的DSl8820将等待复位脉冲。
    搜索算法首先通过复位和在线应答脉冲时隙将单线总线上的所有DS18820复位。成功地执行该操作后发送1字节的搜索命令，使所有连接到单总线的DSl8820准备就绪，开始进行搜索操作。搜索命令发出之后，开始实际的搜索过程。
    首先，总线上的所有DSl8820同时发送注册码中的第1位(最低有效位，参见上述DS18820内部64位注册码结构)。按照单总线的特性，当所有DS18820同时应答主机时，结果相当于全部被发送数据位的逻辑“与”。DSl8820发送其注册码的第1位后，主机启动下一位操作，接着DS181320发送第l位数据的补码。从两次读到的数据位可以对注册码的第1位作出几种判断，如表1所列。

    然后，主机向总线上的所有器件发回一个指定位。如果DSl8820巾注册码的当前位的值与该数据位匹配，则继续参与搜索过程；若DS18820的当前位与之不匹配，则该器件转换到等待状态并保持等待状态，直到下一个复位信号到来。其余63位注册码的搜索依然按照这种读2位写1位的模式进行重复操作。按照这种搜索算法进行下去，最终除了唯一一个DSl8820外，所有DS18820将进入等待状态，经过最后一轮检测就可得到最后保留未进入等待状态的DSl8820的注册码。在后续搜索过程中选用不同的路径或分支来查找其他器件的注册码，即可完成所有器件注册码的识别。
2．2 软件系统设计
    系统软件采用C语言编写。在中断服务程序中，实现用户输入以及和上位机的接口功能；在主程序中，实现温度传感器网络的自动搜索、编号排序、获取温度信息，并根据预先设定的温度上下限，实现相应的报警功能。该系统中，根据不同的分辨率要求，DSl8820的分辨率可通过编程设定，最高分辨率为12位，即0．0625℃，可满足高精度设计要求。同时，由于设计中使用传感器网络的自动搜索算法，因此，当对网络中的温度传感器作出调整(如更换、添加、删除等操作)时，系统具有很强的自适应能力。系统软件流程如图3所示。

3 结论
    在传统的温度测量系统中，往往采用模拟的温度传感器进行设计，必须经过A/D转换后才可以被微处理器识别和处理。这样的设计方法不仅对前端模拟信号处理电路提出了更高的要求，而且不具有数字通信和网络功能。本文结合DSl8820的新特性和现代温度测量系统提出的新要求，提出了基于智能数字温度传感器DSl8820的高精度、多点温度测量系统设计方案。该方案具有安装方便、数字化程度高、精度高、适应性强等特点，在多种温度检测中具有广阔的应用前景。