微型温度测量的数字化方案

1.2 DS18B20U的“一线”总线标识序号
    每一个DS18B20U都有一个唯一的64位的“一线”总线标识序号，存放在DS18B20U的内部ROM（只读存储器）中。开始8 位是产品类型编码（DS18B20编码均为28H），接着的48位是每个器件的唯一序号，最后8位是前面56 位的CRC（循环冗余校验）码。
1.3 DS18B20U的温度数据表示格式
    DS18B20U中有用于存储测得温度值的两个8 位寄存器，它们存储的温度数据由两个字节组成，分别为 LS Byte（低字节）和 MS Byte（高字节），如表2所示。MS Byte的高5位存放温度值的符号，如果温度为负(℃)，则MS Byte的高5位全为1， 否则全为0。LS Byte的8位和MS Byte的低3位用于存放温度值的补码，LSB(最低位)为1表示0.0625 ℃。将寄存器中的二进制数求补，就得到了被测温度值(-55℃～+125℃) 。

    表3举例说明了寄存器值和温度之间的对应关系。

1.4 DS18B20U的供电方式
    DS18B20可以设置成两种供电方式,即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线,但由此带来的缺点是完成温度测量的时间较长；而采取外部供电方式则多用一根导线,但测量速度较快。注意：采用超小型μSOP 封装的DS18B20U不适合使用数据总线供电方式。
1.5 DS18B20U的多路同步测量
    每一片DS18B20在其ROM 中都存有唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。
    如图1所示，当主机需要对众多在线DS18B20中的某一个进行操作时，首先发出匹配ROM 命令（命令代号55h），紧接着主机提供64 位序列号（包括该DS18B20的48位序列号），之后的操作就是针对该DS18B20的。但是DS18B20的命令中允许对所有在线节点进行统一操作，利用的是跳过ROM命令（命令代号CCh）。而所谓跳过ROM命令即为：之后的操作是面对总线上所有DS18B20的。命令序列先跳过ROM，启动总线上所有DS18B20进行温度测量，然后通过匹配ROM再逐一地读回每个DS18B20的温度数据。这种方式使采集的温度数据具有很好的同步性，而且节省时间。

2 “一线”网关的硬件设计
    为了收集DS18B20U器件采集的温度信息，需要控制挂接在“一线”总线网络上的DS18B20U芯片，所以需要研制“一线”网关^[2～3]。“一线”网关的主要功能就是面对试验人员，把“一线”总线上的DS18B20U的信息转换成异步串口232接口上的信息，这相当于两种类型网络之间的网关，因此叫做“一线”网关。“一线”网关由一个功能强大的8位单片机P89C668组合各种外围芯片构成，各模块之间的关系如图2所示。下面介绍其设计重点。

2.1 宽的工作温度范围
    为了不仅能够通过“一线”总线采集温度信息，而且能够在工作现场或试验现场可靠工作，需要系统至少能够在80℃以上的高温环境下可靠工作，因此在设计时应对工作温度范围予以重视。
2.2 强的抗外界电磁干扰性能
    工作在现场环境下，总是面对比较强烈的电磁干扰，因而需要采取更有效的措施。
    首先，在外部供电的输入接口应加入二极管桥保护电路，防止在一些特殊条件下出现的电流逆向问题，同时也使得内外电路的地线隔离，起到抗干扰作用。
    由于系统需要和外部设备进行串口通讯，而232串口的电气接口需要地线作为参考电平（因为外设系统带来的电磁干扰可能通过相连地线传入系统，引起工作异常）,因此必须使用完全光耦隔离的方法来提高抗干扰能力。采用光耦隔离器件可抑制电磁干扰，保护系统电路不受网络影响。串口的二线式通讯需要两个光耦节点，节点两侧需有独立的供电电源。光耦器件应该选择高速类型，例如TLP113，以满足在最高通讯速率（115200bps）下的电气性能。电路中还应采用隔离型DC/DC模块向串口收发器电路供电。
2.3 小的系统体积
    设备的小型化是每一个项目所追求的目标之一。为了使得设备便于携带、使用方便,在设计的初期就决定使用I²C等串行接口方式，而不使用速度虽然很快，但是却占用大量PCB面积、连接线路以及IC管脚的并口方式。简单的串行接口可以挂接多种不同功能的芯片。因此系统的主芯片选用了具有I2C接口的Philips公司生产的P89C668单片机。其内带64KB Flash存储器/8KB RAM存储器，Flash存储器既可以并行编程又可以串行在系统编程（ISP），还可以程序自我编程（IAP）。由于时钟周期为6个时钟，因此速度是传统51结构的两倍^[4]。
    整个系统使用的总线接口如表4所示。

    大量使用串行接口不仅获得了很小的体积，也使得电路的电气连接简单明了。
3  “一线”网关的软件设计
    由于使用了单片机构成嵌入式系统，因此在完成硬件设计后，需要编制相应的程序在单片机系统中运行，这样才能最终完成 “一线”网关的设计。由于采用的单片机是与51系列兼容的P89C668，所以使用流行的C51语言编译软件Keil C V7.07a编制程序。
    系统的核心任务是通过“一线”总线采集总线上的温度传感器数据并转发至串口，特点如下^[5～6]：
    （1）利用DS18B20的总线特点，同步所有温度采集节点的采集过程。
    在一线总线上发送同步采集指令，可以使系统在同一时刻采集到各个温度测量点的温度数据，而避免“一线”总线本身通讯速率低的难题，而且也不用关心总线上挂接传感器的具体数量。流程图如图3所示。