（地球探测与信息技术专业论文）基于单总线技术的地电场高密度数据采集系统研究.pdf

摘要 为了获取更丰富的地电场信息，传统的单点测量的电法勘探方 法己不能满足现实的际需求，而近年来发展起来的以多电极数据采 集为基础的高密度电法在工程地球物理勘察等问题上取得了良好效 果。本文从数据采集的角度出发，进行了基于单总线协议的阵列式 地电场观测系统的软件开发以及与软件相关的硬件研制。单总线技 术为本论文的核心，文中用较大篇幅对单总线芯片与微处理器的接 口、单总线协议、单总线芯片指令进行了三个主面的论述，并重点 讨论了以单总线技术为基础的智能电极的结构和由它组建的多路电 极转换系统的智能控制。另一方面，本论文采用“自顶向下”的 “模块化”软件设计思想，灵活运用单片机高级语言c 5 1 与单片机 汇编语言的相互调用技术，设计了人机对话方便、界面友好、高效 可靠、功能强大的监控软件。除此之外，系统可靠的硬件电路设计 为软件的调试提供了稳定的平台，尽管不是本论文研究的核心，但 在系统研发过程中却是一个关键的基础内容。通过系统的软、硬件 联合调试，模型实验，水槽物理模拟，证明本文所研制的“基于单 总线技术的多电极地电场数据采集系统”设计思想正确、方法技术 可行、基本达到了预期的目的，同时，可以预见单总线技术在阵列 电法勘探的仪器研制中必将得到广泛应用。 关键词：单总线协议，地电场观测系统，接口技术，智能电极 a b s t r a c t i no r d e rt oo b t a i nm o r ea b u n d a l l ti n f o m l a t i o no f g e o e l e c t r i cn e l d 。 t h em e t h o do ft r a d i t i o n a i p o i n t - b y - p o i mm e a s u r e m e n te l e c t r i c a ls u r v e y c a n tm e e ta c t u a ld e m a n d b u tt h eh i 幽d e n s i t ye l e c t r i c a ls u r v e vw h i c h h a sb e e nd e v e l o p i n gi nr e c e m y e a r sh a sb e e nh i g hu pi nt h ep i c t u r eo nm e i s s u eo f e n g i n e e r i n gg e o p h y s i c se t c i nm i sp a p e r ，也es o 羝v a r ef o ra r r a y g e o e l e c t r i cf i e l dr e c o r d i n gg e o m e t r yb a s e do n1 一w i r ep r o t o c o la n dt h e h a r d w a r ec o r r e l a t e dw i t hm es o r w a r ea r e e x p l a i n e d s i n c e l w i r e t e c h n o l o g yi st h ek e y o ft h ep 印e r ， am a j o r i t yo ft h ep a p e ra r eu s e dt o s h o wt h ef o l l o w i n gm r e ei d e a s ：t 1 1 ei n t e r f a c eb e t w e e n1 一w j r ec h i pa n d m i c r o - p r o c e s s o r ， 1 一w i r e p r o t o c o la 1 1 d 1 - 硼r ei n s t n l c t i o n s t h e nt h e s t r u c t u r eo ft h ei n t e l l i g e n te i e c t r o d eg m u n d e do nl w i r et e c h n o i o g ya n d t h ei n t e l l i g e n tc o n t r 0 1f o rm u l t i e l e c t r o d e sc h a n g es y s t e mc o m p o s e d b y i n t e l l i g e me l e c t r o d e a r ed i s c u s s e d o n 也eo 如e rh a n d ，t h es o f l w a r e d e s i g np h i i o s o p h yo ft o p - d o w nm o d u l a r i z a t i o nh a sb e e na d o p t e di n 也e d i s s e r t a t i o n t h ec o n t r o ls o f t w a r ew h i c hi sc o n v e n i e n ti nm a nm a c h i n e c o n v e r s a t i o n ，a d v a n t a g e o u sf o ri n t e r f a c e ，h i 曲p e r f o r m a n c ea 1 1 dr e l i a b l e ， f u l l s c a l ei nm n c t i o nh a sb e e ns k i l l 如l l yb u i l tb y r e c i p r o c a l l yt r a l l s f e r r i n g b e t w e e n h i 曲l e v e ll a n g u a g e a n da s s e n 沌l e l a i l g u a g e o f s i n 9 1 ec h i p m i c y o c o f u r t h e r m o r e ，m ed 印e n d a b l e h a r d w a r ec o n n e c t i o nw h i c h p r o v i d e sad e p e n d a b l ep l a t f b n l li sa ni m p o r t a n tb a s a li t e mi nt h ec o u r s e o ft h es y s t e m sr e s e a r c h i th a sb e e np r o v e dt h a tm em u l t i e l e c t r o d e s g e o e l e c t r i cf i e l dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e dl - w i r et e c h n o l o g yi sn o t o n i yr i g h to nd e s i g nt h o u 曲t ，b u ta l s op r a c t i c a b l eo nt e c h n i c a lm e t h o d a c c o r d i n gt ot h e r e s u l to fs y s t e m i cj o i n t l yd e b u g g i n go fs o n w a r ea n d h a r d w a r e ，m o d e l i n gt e s ta n dp h y s i c a la n a l o g u ei n 也ef l u m e t os u m u p ，t h er e s e a r c he f 硒r th a sb e e nb a s i c a l l yg a i ni t sa n t i c i p a t e de n d s a 上 t h es a m et i m e ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a t1 - w i r et e c h n o l o g yb ew i d e l y a p p l i e do n t l l ei n s t r u m e n tr e s e a r c ho f a r r a ye l e c 仃i c a ls u r v e y i nf u t u r e k e yw o r d s ： 1 一w i r ep r o t o c o l ，g e o e l e c t r i cf i e l dr e c o r d i n gg e o m e t r y ， i n t e r f a c et e c h n o l o g y ，i n t e l l i g e m e l e c t r o d e l i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文甲不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 火学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：盔望聋 日期：型年上月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学( 立论文的规定，即：学校有权 仁l 留学应沦文，允许学位论文披查嗣和借阅；学菠可以公布掌位沦又的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学 立论文；学饺可限 据国冢或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：盔逢导师签名羔丝i 姿l 日期：竺：i 一年皇月上扫 硕i ：学位论史基十单总线技术的地电场高密度数据采集系统研究 第一章前言 1 1国内外仪器研究现状及发展 近年来微电子技术与计算机技术的飞速发展，促使了测量仪器领域发生了 变革性的进步，从而出现了完全突破传统概念的、全新的一代仪器一智能仪 器。这种仪器仪表与传统仪器的本质区别是仪器内部含有微处理器，从而具有 信息采集、数据处理、显示记录、传输和测试过程自动控制，甚至还能辅助专 家推理分析和进行决策等一系列功能。 纵观测试技术的发展过程可以发现，测试技术与科学研究、工程实践密切 相哭，科学技术的发展促进测试技术的发展，测试技术的发展反过来又促进科 学技术的提高。第代测试仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪 表。当j o 年代出现了电子管、6 0 年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶 体管为基础的第二代测试仪器分立元件式仪表。7 0 年代出现了集成电路， 产生以集成电路芯片为基础的第三代测试仪器数字式仪表。随着微电子技 术的发展和微处理器的普及，8 0 年代以微处理器为中心的第四代仪器智能 式仪表迅速普及。现在，测试技术与计算机深层次的结合正引起测试仪器领域 里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致新一代仪器虚拟仪器的出 现，进而产生了集成仪器，再由单台仪器子系统向多台仪器组成的大的测试系 统方向发展。近1 0 年来，以i n t e r n e t 为代表的网络技术的出现以及它与其他 高新科技的相互结合，不仅己开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为 测量与仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化测量技术与具备网 络功能的新型仪器应运而生。 仪器仪表领域的技术革新已渗透到生产生活的各个领域，极大的促进了生 产力的发展，然而，人们对各种测试仪器提出了更高的要求，当然，对地球物 理勘探中的探测仪器的需求也不例外。 目前，我国大部分生产矿山面临后续资源枯竭，发现地表浅埋矿的可能性 越来越小，严重威胁到矿山的生存和国民经济的发展，因此，寻找深部隐伏矿 已成为当务之急，这对物探仪器提出了更高的要求。另外，地球表面海洋面积 占地球面积的7 1 ，其资源丰富，可以预计，海洋资源勘察将是2 l 世纪地质找 矿的主战场，研制适合海洋作业的新方法、新仪器成为了国内外地球物理的前 沿课题之一。 另一方面，用于工程物探的仪器虽是日新月异，但总体来说，我们的探测 技术在大量的工程问题面前显得力不从一c ，如堤坝小洞穴问题、堤坝连体墙质 坝士学位论义 基于单总线技术的地电场高密度数据采集系统研究 量探测问题、岩土工程中锚锁锚杆质量检测问题、隧道超前探测问题、煤矿陷 落柱探测问题等虽已提出多年，但仍未取得实质性进展。其一是检测仪器的图 视化和实时处理性能需要改进，才能为工程检测现场提供直观、快捷的检测结 果；其二是仪器的分辨能力和探测深度存在较大的欠缺，在保证分辨率的前提 下，加大探测深度，是仪器研发者的努力方向。我们现有的仪器性能还不适应 解决这些问题，需要开发相应的仪器和软件。 微电子技术和计算机技术的成果为新型仪器的诞生奠定了技术基础，实践 的需求为新型仪器的研制提供了强大动力，各种新型仪器亦如雨后春笋般的在 产生和发展。以高密度电法仪为例，国内研制生产高密度电法仪器的主要有重 庆地质仪器厂生产的d u k l 、d u k 一2 型高密度电法测量系统，重庆奔腾数控 技术研究所生产的w d z j 一1 型高密度电阻率测量系统，中国地质大学地球物理 系研制成功了高密度电法仪i 型、i i 型系统，黄河水利委员会研制了m i r i c 覆盖式高密度电阻率测量系统，长春科技大学工程技术研究所研制的e 6 0 b 、 e 6 0 c 高密度电阻率仪等等，国外也有不此类型仪器，如瑞典a b e m 公司的 s a s 3 0 0 c ，s a s l 0 0 0 ，s a s 4 0 0 0 型高密度电法仪，美国的a g i 高密度电法仪等 等，它们大都具有如下特点：电极布设一次完成，可减少因电极设置引起的故 障和干扰；可进行多种电极排列方式的扫描测量，可获得丰富的地质信息；数 据采集自动化，可减少人为失误。它们已广泛应用于用堤坝隐患探测、矿产资 源勘察、岩溶勘探和考古等方面。常规高密度电法仪器结构上除主机外，一般 都带有内置大量继电器多路电极转换器丽且为了实现电极自动切抉，必须配 备一条或多条总芯数与一次布设电极总数量相等多芯电缆，这使得整个仪器结 构笨重，稳定性和抗干扰能力差；而吉林大学高密度电法仪在结构上有很大改 进，但由于技术保密原因，未见有关技术文献报导。另一方面，中南大学地球 物理勘察新技术研究所自主研制成功的s 系列和s q 系列双频道激电仪采用双 频信号向大地供电，同时接收双频信号，在金属矿勘探，寻找地下水等方面取 得了可喜的成绩，但它是采用单点测量方式，所得地质信息不够丰富，在工程 应用方面有一定的局限性。 1 2 基于单总线电阻率仪的研究目的和意义 本论文旨在运用单总线( 1 一w i r e ) 技术作为电极自动转换的基础，将接 收与发送集成在一个机箱内，使整套仪器轻便，实现了一次布极，多点观测， 同时由一条七芯电缆便可进行数百道电极的供电与测量，大大提高工作效率： 采用低频电流( 4 h z ) 为激励场源，通过单片机实现对仪器进行自动控制，数 2 碗e 学位论史基十单总线技术的地电场高密度数据采集系统研究 据自动采集，信息快速处理，成果实时显示，为现场矿确、快速评价物探异常 提供可靠依据，这对地质找矿，寻找地下水源、工程勘察等都具有十分重要的 意义。 1 3 基于单总线电阻率仪的研究内容 整个仪器的研制可分为硬件和软件两大部分。在软、硬件的丌发过程中， 尽可能的采用模块化的思想设计，构建“乎台”模式，便于仪器的调试、升级 和移植。 1 置l 硬件部分 硬件部分研制对象为主机、电缆、电极及一些附属设备如充电机等部分。 主机包括发送单元和接收单元( 模拟部分) 、信号处理模块( 数字部分) 等。本设计拟采用5 l 系列的微处理器实现对整个仪器的控制及对信号的处 理。 主机与电极拟用一根七芯电缆相连( 可另增加备用线) ，每一个电极将附 加辅助电路，以便主机能对每一个电极进行控制。 1 3 2 软件部分 为了使软件便于调试、修改，整个程序以模块化的思想设计，大致可有仪 器仞始化，显示，控制，计算及仪器与p c 通信等几个模块供主控模块调用。 其中有些模块( 如计算、显示等) 可以形成标准函数库，可方便地实现移植。 为了方便人机对话，仪器采用全中文界面，下拉式菜单，并提供丰富的帮助信 息。 仪器的初始化，包括对m p u 及外围电路的自诊断，对存储设备，显示设 备，键盘等的初始化。 计算程序库，将提供加、减、乘、除浮点运算的子程序及支撑这些基本运 算的辅助性子程序有双精度加减法，尾数算术移位，逻辑移位，交换数据，尾 数求绝对值、求补、积、商及符号处理，以及浮点数的规格化，同时还包括不 同数据格式之间的转换，以方便显示和与外界的通信。 控制模块包括双频信号的产生，a d 转换，电极系的自动转换，通信程序 等。电极系的转换程序将是整个程序的难点之一，它将采用单总线协议控制可 寻址开关d s 2 4 0 5 。与目前多数标准串行数据通信方式不同，采用单根信号线双 向传输数据。其硬件结构简单，但有特别严格的时序对其控制，控制程序复 硕士学位论史 魅于单总线技术的地屯场高密度数据采集系统研究 杂，本文花了较大篇幅详尽的探讨了单总线协议以及单总线芯片的软件控制。 显示模块将包括咀图形形式在液晶屏的任意位置正向或负向显示汉字，以 字符形式在液晶屏的任意位置正向或反向显示a s c i i 码等子程序，字库将以文 件的形式单独存放，包括汉字库和a s c i i 码库。 整个程序采用“自顶向下”的模块化思想设计，采用汇编语言和c 5 1 共同 实现。 硕上学位论文 基于单总线技术的地电场商密度数据采集系统研究 第二章单总线( 卜w i r e ) 协议及单总线技术 2 1 单总线传输的硬件基础 单总线技术( 1 一w i r e ) 是m a x i m 全资子公司d a l l a s 的一项专有技术。 d a l l a s 半导体公司卜w i r e 器件采用一种特殊的接口协议，通过单条连接线解 决了控制、通信和供电，降低了系统成本并简化了设计。卜w i r e 芯片包含多种 功能的器件，例如电子标识、传感器、控制和存储等，既有各种传统的i c 封 装形式，还可提供超小型c s p 、不锈钢铠装i b u t t o n s 等新型封装。 单总线( 1 一w i r e ) 技术与目前多数标准的串行数据通信方式( 如i 串行 总线) 不同，它将地址线、数据线、控制线合为一根信号线，采用单根信号线 双向传输，允许在这根信号线上挂上百个由d a l l a s 公司提供的芯片控制的对 象( 如图2 1 所示) ，具有节省i o 口线资源、结构简单、成本低廉、便于总 线扩展等优点。 图2 11 w i r e 器件连线图 每个芯片均具有一个全球唯一的由6 4 位二进制数组成的识别码，其中包 括8 位族码( f a m i l yc o d e ) ，4 8 位序列号( s e r i a ln u m b e r ) 和8 位循环冗余 校验码( c r cc o d e ) ，如图2 2 所示。 最高位晟低位 图2 26 4 b i t r o m 分布图 硕士学位论文 基十单总线技术的地电场高密度数据采集系统研究 族码标识卜w i r e 芯片的种类，如信息钮扣( i b u t t o n ) d s l 9 9 0 a 的族码为 0 1 h ，可寻址开关d s 2 4 0 5 的族码为0 5 h ，而温度传感器d s l 8 2 0 的族码为1 0 h 等 等，理论上，一个字节的族码可标识1 2 8 种卜r e 芯片。目前有资料可查的 单总线芯片有8 0 余种，它们分别完成不同功能。用户可参阅d a l l a s 公司提供 的芯片手册。用激光刻蚀在硅片上的8 位族码和4 8 位序列号是不可改变的， 它成为每个芯片的唯一确认信息，这7 个字节可以看作每个单总线芯片的地址 码，主样当多个单总线芯片挂在同一总线上时由于它们有独立的地址，很容 易主机识别。c r c 循环冗余校验码上一个字节，用以验证前面5 6 位串行数据传 输的正确性。 单总线芯片适应于单个主机系统，在该系统中主机可能是p c 机，也可以 是单片机单总线芯片本身通常作为从机形式出现在系统中。一个主机能控制 一个或多个从机设备，而且通常是多个从机设备组成一个系统，如图2 ，l 所 示。主机通过个三态端口，连接至数据线，这样允许设备在不发送数据时释 放总线，以便总线被其它设备所使用。 图2 3 单总线硬件接口示意图 单总线要求外接一个约5 k q 的上拉电阻，这样，单总线的闲置状态为高电 平。不论在何种情况下，如果传输过程中需要暂时挂起且要求传输过程还能够 继续的话，则总线必须处于空闲状态。位传输之间没有时间限制，只要总线在 恢复期间处于空闲状态( 高电平) 。如果总线保持低电平超过4 8 0 “s ，总线上所 有单总线器件将复位。另外，在寄生方式供电时，为了保证单总线器件在某些 工作状态下( 如温度转换期间、e e p r o m 写入等) 具有足够的电源电流，必须在 总线上提供强上拉，如图2 3 所示。 2 2 单总线协议 单总线技术实现的硬件简单，但芯片品种繁多，在适当的外部电路中能完 顺j 学位论文 基于单总线技术的地电场高街度数据采集系统研究 成复杂的操作，这些功能的实现，则依赖良好的软件环境支持。作为种与目 前大多数标准串行数据通信方式不同的串行数据传输方式，它有自己独特的通 信协议单总线协议( 或称一线协议) 。 单总线协议定义了如下几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写o 、写1 、 读o 和读l 。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都有由主机发出同步信号， 并且所有的命令和数据都是字节低位在前，这一点与多数标准串行通信方式不 同。 2 2 1 复位应答脉冲 复位和应答脉冲即组成单总线协议的初始化序列，时序如图2 4 ( 1 ) 所 示。微处理机的i 0 口输出低电平拉低总线并保持总线为低电平至少4 8 0u s ，然后主机释放总线，上拉电阻将总线拉高，如果总线上已挂有1 片或多片 单总线芯片，由芯片通过d a t a 引脚检测到上升沿后，延时1 5 6 0us ，接着芯 片通过内部电路将总线拉低6 0 一2 4 0us ，即为应答脉冲通过读取微处理机的 i o 便知有单总线芯片存在。 2 2 2 写o l 时隙 微处理机对单总线芯片的所有控制命令均由写“o ”和写“l ”两种信号组 合而成。在写时隙起始后的1 5 6 0 us 之间，单总线器件将采样总线状态。如 果采样为高电平，则向该器件写入“1 ”，如图2 4 ( 2 ) 所示：如果采样值为 低电平，则写入“o ”，如图2 4 ( 3 ) 所示。 2 2 3 读o l 时隙 单总线芯片在读时隙向微处理机传送数据。每个读时隙由主机发出同步信 号后，单总线器件向总线上发送“o ”或“1 ”，若发送“1 ”，则保持总线为 高电平，若发送“o ”，则拉低总线。单总线器件在完成读时隙后释放总线， 上拉电阻将总线拉高至空闲状态，时序如图2 4 ( 4 ) 所示。 ( 1 ) 初始化( 复位应答) 时序圈 塑三苎丝塑翌l 一 茔苎璺些垫查箜些皇些塑堂丝墼塑墨垄墨竺鲨塞 7 j r 母登州t l 0 1 l ， l ：h d 雌一 _ 一 6 ”- ( 2 ) 写“l ”时序图 总线闲 。i 啊 | 、 、 _ ! 磐- ( 3 ) 写“o ”时序图 一1买u门qvp 尿 一 | l l ，i， 、 卜如； 一 l - 一一 t m ，卜_ _ h 一l r 口v ( 4 )读o ，1 时隙 电阻上拉总线 一 主机拉低总线 从机拉低总线 a 、电阻上拉电压值 b 、上拉电压最小值 c 、逻辑“1 ”最低电压值 d 、逻辑“0 4 最高电压值 e 、电压值o v 图2 4 单总线协议各信号时序 所有用于单总线通信的指令均由上述信号组成，形成一个完整的单总线协 议( 指令系统) 。 2 2 4 单总线芯片的电气特性 所有单总线芯片有一些共有的电气特性，且不同类型的芯片还有自己独特 的一些参数，在此只读者讨论各类单总线芯片的共有特性。 1 ) 单总线芯片的极限参数 单总线芯片的极限参数： 兰型兰型墅望生一 茔望：垫些垫查竺丝皇垫壹鲎鏖墼塑墨垄墨竺婴塞 任何引脚对地电压一0 5 v 至十1 2 v 工作温度一4 0 c 至+ 8 5 c 存储温度一5 5 4 c 至+ 1 2 5 c 以上提供的参数是指器件所以承受的极限值，在不超过极限参数的前提 下，要使器件正常工作还需保证不超过特性参数中的限定条件。如果长时间处 于这些极限条件会影响器件的可靠性。 2 ) 直流电气特性 参数符号最小典型最大单位 注释 逻辑lv i h 2 2 v 0 0 逻辑0v 1 10 3+ o 8vo 在4 m a 时输出逻辑低v 皿0 4 v 输出逻辑高v mv 哺6 0 vo 0 输入负载电流i l5“a0 注释： 所有电压都是对地电压： v 。= 外部上拉电压； 输入负载对地； v n 是外部上拉电阻和上拉电压的函数； 在某些低电压条件下，为始终保证在线应答脉冲，v ，。可能得降到 o 5 v 。 3 交流电气特性 表2 2 交流电气特性( v p u p = 2 8 至6 0 v ：一4 0 c 至+ 8 5 c ) 参数符号最小典型最大单位注释 时隙t 乳w 6 0 1 2 0us 写1 低电平时间t l _ 111 5us 写0 低电平时间t l 嘲 6 01 2 0us 读数据有效t r w1 5us 释放时间 01 54 5us 读数据建立时间 t 1uso 恢复时间t r e c 1us 复位高电平时间t r s 4 8 0uso 复位低电平时间 t r s m4 8 0us 在线检测高电平 t p m1 56 0us 9 硕【学位论文基于单总线技术的地电场高密度数据采囊系统研究 注释： 读数据建立时间的基准点是主机为读数据位而将1w i r e 总线拉低的时 刻；数据保证在这个下降沿的ius 内有效，并至少保持1 4 us 内有效( 从卜 w i r e 总线下降沿算起共1 5 us ) ； 在复位高电平时间结柬前，无法进行其他复位操作或其他数据通信序 列。 2 3 单总线技术的软件实现 运用单总线协议( 一线协议) 构建的单总线指令系统是单总线网络运行 的软件基础，典型的单总线指令序列如下： 第一步：初始化 第二步：r o m 命令( 跟随需要交换的数据) 第三步：功能命令( 跟随需要交换的数据) 每次访问单总线器件，必须严格遵守这个命令序列，如果出现序列混乱， 则单总线器件不会响应主机。但是，这个准则对于搜索r o m 命令和报警搜索命 令例外，在执行两者中的任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令， 必须返回至第一步。 2 3 1 初始化 基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发 出复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道，总线上有从机 设备，且准备就绪。 2 3 2r o m 命令 在主机检测到应答脉冲后，就可以发送r o m 命令。这些命令与各个从机 设备的唯一的6 4 位r o m 有关。当单总线网络上有多个从机设备时，主机( 微 处理器) 需指定操作的对象某个从机设备。这些命令还允许主机能检测到 总线上有多少个从机设备以及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。从 机设备可能支持5 种r o m 命令( 实际情况与具体型号有关) ，每种命令长度为8 位。主机在发出功能命令之前，必须送出合适的r o m 命令。r o m 命令的操作流 程如图2 5 所示。 1 ) 读r o m 3 3 h 0 羔型苎丝型：l 苎! ：璺璺些垫查塑些皇塑壹查堡鍪塑墨叁墨堕型塞 。 图2 5r o m 命令流程圈 该命令仅适用于单总线网络上只有一个从机设备的情况。主机通过此命令 烦j “学位论文 基于单总线技术的地电场高密度数据采集系统研究 来读取总线上唯一单总线芯片的8 位族码( f a m i l yc o d e ) 、一的4 8 位序列号 ( s e r i a l n u m b e r ) 、8 位循环校验码( c r c 码) 。如果总线上出现多个从机，各 个从机均会响应r e a dr o m 3 3 h 命令，将会发生数据冲突( 各个从机将其r o m 的相对应位同时发送到数据线上产生线与的结果) 。 2 ) 搜索r o m f o h 当系统初始上电时，主机必须找出总线上所有从机设备的r o m 代码，这样 主机就能够判断出从机的数目和类型。主机通过重复执行搜索r o m ，该命令跟 随着位数据交换，以找出总线上的从机设备。在固定从机设备系统的开发中， 可采用读r o m 命令代替搜索r o m 命令，以达到简化程序设计的目的。 r o m 搜索过程实质上是一个简单的三步循环程序：读位、读该位的补 码、写入一个期望的数据位。总线主机在r o m 的每一位上都重复这样三步循环 程序，完成一次循环后，主机就能够获得个从机设备的r o m 信息。剩下的设 各的数量及r o m 代码通过相同的过程即可获得。 假设有四个不同的器件连接至同线上，它们的r 伽代码如下所示： r o m l ：0 0 1 1 0 1 0 1 r o 1 2 ：1 0 1 0 1 0 1 0 r o m 3 ：1 1 1 1 0 1 0 l r o m 4 ：0 0 0 1 0 0 0 1 具体搜索过程如下( 参见图2 5 ) ： 从机发送复位脉冲，启动初始化序列，从机设备发出响应的应答脉冲； 主机在总线上发出r o m 搜索命令； 主机从总线上准备读入一个数据位，每个响应设备分别将r 叫代码的第一 位输出到单总线上。r o m l 和r o m 4 输出0 至总线，而r 叫2 和r 伽3 输出1 至总 线。线上输出的结果将是所有器件的逻辑“与”，所以主机从总线上读到的是 o 。接着主机开始读另一位，即每个器件分别输出r o m 代码中第一位的补码。 此时r o m l 的r o 1 4 输出l 至总线，而r o m 2 和r o m 3 输出o 至总线。这样，主 机读到的该位的补码还是o 。主机由此可以判定，总线上至少有一个器件的 r o m 代码第一位0 ，有些则为l ； 两次读到的数据位具有以下含义： 在该位处，存在设备冲突： 在该位处，所有器件为0 ； l o 在该位处，所有器件为l ； 1 l 不存在任何单总线设备。 主机写入o ，从而禁止了r o m 2 和r o 1 3 响应余下的搜索命令，仅在总线上 顿r 上学位论文 基于单总线技术的地电场商密度数据采集系统研究 留下了r o m l 丰r o m 4 ： 主机再次执行两次操作，依次收到o 和l ，这表明r o m l 和r o m 4 在r o m 代 码的第二位都是o ； 接着主机写入o ，在总线上继续保持r o m l 和r o m 4 ： 主机又执行两次读操作，收到两个o ，表明所有连接设各的r o m 代码在第 三位既有o ，也有1 ； 主机再次写入o ，从而禁止了r o m l 响应如下的搜索命令，仅在总线上留下 了r o m 4 ； 主机读完r o m 4 余下的r o m 数据位，这样完成了第一次搜索，并找到了位 于总线上的第一个设备； 重复执行第l 至第7 步，开始执行新一轮的r o m 搜索命令； 主机写入l ，使r o m 4 离线，仅在总线上留下r 伽l ； 主机读完r o m l 余下的r o m 数据，这样完成了第二次的r o m 搜索找到了 第二个r o m 代码： 重复执行第1 至第3 步，开始新一轮的r o m 搜索命令； 主机写入1 ，这次禁止了r o m l 和r o m 4 响应余下的搜索命令，仅在总线上 留下了r o m 2 平r o m 3 ； 主机又执行两次读操作时隙，读到两个o ； 主机写入0 ，这样禁止了r o m 3 ，而留下了r o m 2 ； 主机读完r o m 2 余下的r o m 数据，这样就完成了第三次的r o m 命令，找到 了第三个r o m 代码； 重复执行1 3 至1 5 步，开始新一轮的r o m 搜索命令； 主机写入1 ，这次禁止了r o m 2 ，而留下了r o m 3 ； 主机读完r o m 3 余下的r o m 数据，这样就完成了第四次r o m 搜索，找到了 第四个r o m 的代码。 整个搜索过程可以用一种二叉树的遍历来描述，此二叉树的深度为6 4 ，并 且每个叶子的深度为6 4 。叶子结点的个数就是挂在单总线上的从机设备的个 数，从根结点到叶子结点所经过的路径就是此从机设备的r o m 代码。每向左走 一步，表示该位为o ，向右走一步表示该位为l ，记录此过程就得到叶子结点 的序列号。对于以下r o m 的序列号可用此数据结构表示如图2 6 所示。 r o m l ：0 0 0 0 r o m 2 ： 1 0 0 0 r o m 3 ： o 1 0 0 r o m 4 ：“0 0 硕士学位论文 基于单总线技术的地电场商密度数据采集系统研究 r o m 5 r o t 6 一1 0 0 1 “0 1 1 1 图2 6 二叉树表示的从设备r o m 序列号 结点 的左结点表示r o m l ，的右结点表示r o m 2 ， 的左结点表示 r o m 3 ， 的右结点表示r o m 4 ，的右结点表示r o m 5 ，o 的左结点表示r o m 6 。 在遍历过程中并不知道此二叉树的叶子结点数，也不知道它的结点为左子 结点还是为右予结点。判断是否存在左右子结点的规则是根据两次读操作读取 的数据来判断，判断原则为：0 0 表示既存在左子结点，又存在右子结点，0 1 表示只存在左子结点，1 0 表示只存在右子结点，1 1 表示不存在子结点即没有 单总线从设备挂在总线上。在遍历二叉树时应该记住所走的路径和搜索到的叶 子结点数，从而可以得到从设备的r o m 序列号和总的从设备数目。遍历此二叉 树可以采用从左到右的遍历方法，也可以采用从右到左的方法。在遍历时先判 断子结点是左子结点还是右子结点，如果都存在则要记录此结点的位置便于下 次搜索，即下一次搜索的时候主机就在此结点以前都是输出上一次搜索到叶 子结点在此结点以前的r o m 序列号。对每一次的叶子的搜索都需要从根结点开 始，这与对二叉树常用的遍历方法不同。 从左到右搜索r o m 的流程图如图2 7 所示。图中t e m p 6 4 ，0 表示t e m p 为 6 4 位变量，初始化为o ，用来存储单总线芯片r 咖的序列号。r e c o r d 用来记录 存在分支节点的位置，n 表示搜索到的位数。l i s t 0 ，0 是一个链表，初始化o 个记录，记录为o 。l i s t a d d t a i l ( n ) 表示增加一个记录n 到链表末尾， l i s t g e t t a i l 表示取链表末尾的记录，l i s t m o v e t a i l 表示删除链表末尾的记 录。每一次完整的搜索( n = 6 4 ) 就得到一个芯片的r o m 序列号，每一次执行增 加链表记录的操作就表示搜索到的芯片增加一个。 1 4 硕士学位论文 基于单总线技术的地电场高密度数据采集系统研究 当在系统上电时，若主设备在程序头执行该命令，那么就可以实现对从设 备的动态管理：对于增加新的设备，系统就可以动态的获得它的r 删序列号， 图2 7 算法实现流程图 从而可以在数据库中增加此设备的记录：对于从系统中撤离的设备，由于主机 不能检测到它的序列号，从而可以从数据库中删除此设备的记录，以后无须对 此设备进行操作。 由此可见，搜索r o m 命令是一个实现即插即用操作的关键技术。然而， 搜索r o m 命令用程序实现较为复杂，在某些针对固定从机设备的场合，可由读 r o m ( 3 3 h ) 命令取代搜索r o m ( f o h ) 。 3 ) 匹配r o m 5 5 h 匹配r o m 命令跟随着6 4 位r o m 代码，从而允许主机访问多节点中某个指 定的从机设备。仅当从机设备完全匹配6 4 位r o m 代码时，才会响应主机发出 ! 望童型垡兰些 苎三苎垫塑垫查塑些皇塑蔓查堡塾塑墨堡墨堕塑塑 的功能命令，其他的设备将处于等待复位脉冲状态。 4 ) 蟛8 跃r o m c c h 主机能够采用该命令同时访问总线上所有的从机设备，而无须发出任何 r o m 代码的信息e 例如，单总线上挂有多个d s l 8 8 2 0 温度传感器，主机跳跃 r o m 命令后，再发送转换温度命令 4 4 h ，就可以同时命令单总线上所有的 d s l 8 8 2 0 开始转换温度，这样大大地节省了主机的时间。值得注意的是，如果 跳跃r o m 命令跟随的是读暂存器 b e h 的命令( 包括其它读操作命令) ，则该命 令只能应用于单节点系统，否则将由于多个节点响应该命令而引发数据冲突。 5 ) 报警搜索 e c h 除了那些设置了报警搜索的从机响应外，该命令的工作方式完全等同于搜 过r o m 命令。该命令允许主机设备判断哪些从机设备发生了报警( 以d s b l 8 2 0 为例，如果最近的温度测量过高或过低则发生报警) 其程序流程如图2 5 所 示。 以上列出了单总线设各共有的r o m 命令，个别命令( 如报警搜索) 也只支 持少数1 _ w i r e 器件。对于不同种类的卜w i r e 器件所特有的r 删命令，可参阅 d a l l a s 公司提供的芯片手册。 2 3 3 功能命令( 以d s l 8 8 2 0 为例) 主机发送r o m 指令，以访问某个指定的d s l 8 8 2 0 ，接着就可以发送d s l 8 8 2 0 支持的某个功能命令。这些命令允许主机写入或读出d s l 8 8 2 0 暂存器、启动温 度转换以及判断从机的供电方式。d s l 8 8 2 0 的功能命令如表2 3 所示。不同类 型的单总线芯片有不同的功能命令，也有的芯片无功能命令( 如可寻址开关芯 片d s 2 4 0 5 ) ，在实际应用中可根据设计的需要加以选择。 发送命令后，单总线 命令描述命令代码 注释 上的响应信息 温度转换命令 转换温度启动温度转换4 4 h无 存储器命令 读出全部暂存器的内d s l 8 8 2 0 传输多达9 读暂存器 b e h。 容，包括c r c 字节个字节至主机 写暂存器第2 、3 和 主机传输3 个字节数 写暂存器4 个字节的数据( 即 4 e ho 据至d s l 8 8 2 0 n ，n 和配置寄存器) 硕士学位论文基十单总线技术的地电场高密度数据采集系统研究 ( 续表) 将暂存器中的t h ， 复制暂存器t l 和配置字复制到4 8 h无0 e e p r o m 中 将t h ，t l 和配置字 d s l 8 8 2 0 传回读状态 回读e e p r o m从e e p r o m 中回读至b 8 h 至主机 暂存器中 注释： 在温度转换和复制暂存器数据至e e p r 叫期间主机必须在单总线上允 许强上拉，并且在此期间，总线上不能进行其它数据传输； 通过发送复位脉冲，主机能够在任何时候中断数据传输； 在复位脉冲发送以前，必须写入全部的三个字节一 2 4 单总线技术的应用领域及应用前景 单总线技术与目前流行的标准的串行通信方式不同，它将地址线、数据 线、通信线合为一根信号线，采用单根信号线双向传输，并允许在这根线上挂 几十几百个控制对象。这样允许单条连接线解决了电法勘探中多个电极的供 电与测量的转换中的控制技术及信息传输问题。例如在轴向偶极测深中，使某 根电极既可以在某点或某种偶极距中作为供电电极，又可以作测量电极，这样 在程序控制下完成整条剖面的不同极距及不同间隔系数的高密度偶极测深。 可以推测，单总线技术在堤坝隐患的自动监测等工程物探的阵列式电法勘 探中有广泛应用。 硕j 学位论义 基于单总线技术的地电场高密度数据采集系统埘f 宄 第三章基于单总线技术的地电场数据采集系统的硬件结构 3 1 仪器硬件整体结构 仪器的硬件部分主要由激励场源的发送部分、信号接收部分及多电极系统 三大部分组成，并由单片机控制，实现了逻辑自动控制、增益自动调节、电压 自动监视、数据自动存储等功能。 仪器采用4 鹕键盘输入，汉化下拉式菜单操作，点阵式大屏液晶显示，并 设有r s 一2 3 2 标准串行接口，可将采集数据传送至外部微机进一步处理。 在仪器设计中，采用光电隔离、继电器隔离、霍尔电流传感器电流采样， 实现了发送、接收、多电极系三者之间的高可靠电性隔离，保证了数据采集精 度，仪器硬件结构如图3 1 所示。 3 2 发送部分硬件构成 大地 图3 1 多电极系统整体方框图 顶士学位论文 基于单总线技术的地电场高r 密度数据聚集系统研究 发送部分由电源、单片机系统、供电主回路及电流采样四部分组成。由 7 5 v 镍氢电池组经d c d c 变换及稳压后产生5 v 电源，供整机使用。单片机 采用m c s 一5 1 系列的8 0 3 l 微处理机，外接1 2 m h z 的晶振、双向驱动器 7 4 h c 2 4 5 、地址锁存器7 4 h c 3 7 5 和程序存储器2 7 c 3 2 。 单片机采用定时中断方式传送下列波形：占空比为1 ：1 的方波信号； l m s 的换向关断脉冲信号；电流、电压采样信号。前两种信号经适当组合产 生具有供电同步、换向同步、过流可关断的4 h z 信号。 机内设有检测电路和报警电路，单片机时刻查询检测电路和外接高压电源 电压和过流保护电路，并及时报警。供电主回路采用电力电子元件，控制信号 经光电隔离后加至圭回路，从而大大简化了驱动电路又扩大了供电范围，同时 提高了可靠性。发送机的功率元件采用了v m o s 功率管，输出功率4 0 0 w 。 电流采样部分由电流传感器、采样控制开