（电路与系统专业论文）现场单线接入网技术研究及系统设计.pdf

t 华中科技大学硬士学位论文 摘要 1 - w i r e 单总线是m a x i m 全资子公司d a l l a s 的一项专有技术。与目前多数标准串行 数据通信方式，如s p i 1 2 c m i c r o w i r e 不同，它采用单根信号线，既传输时钟，又传 输数据，而且数据传输是双向的。 它具有节省i 0 口线资源、抗干扰强、结构简单、成 本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。采用单总线技术组成的同络称为“微型局域 网”( m i c r o l a n ) 。它与当今流行的计算机局域网有本质的不同，后者各节点上的计算机 或外设都自各电源，网线上只传输数据信息。， 微型局域网是基于总线结构的一种主从式网络，它以p c 或m c u 为网络控制器， 这是系统中的主设备，而网上的其它设备全部称为从设备，它们由主设备集中管理，实 现主设备与各从设备之间的数据通信。i 网络规模可大可小，从设备的节点数可从几个到 数千个，理论上几乎没有限制。通过控制器可将数个微型局域网互联，或者与以太网等 计算机网络互联，最终连接到i n t e m e t 。这种网络结构非常简单，只需一对普通双绞线 就能组网，从设备又无需自各电源，因而建网快，成本低，最适合于现场应用，是现场 总线技术中的佼佼者。 随着计算机和通讯技术的飞速发展，接入i n t e m e t 越来越快捷便利。将我们刚才提 到的微型局域网接入到i n t e r a c t 是大势所趋，与此同时同时我们提出了“现场单线接入 网”的概念。1 本文讨论了微型局域网的一些基础知识和使用p p p 协议连接m c 6 8 h c 0 8 系列m c u 到 i s p 的方法，最后结合一套实用的现场温度检测与控制方案来实现。现场单线接入网” 的设想，即“温度测控微域网”。网络控制器采用功能强大、价格低康的m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 ， 温度传感器采用d s l 8 8 2 0 ，开关控制采用d s 2 4 0 5 ，实现了m c u 与微型局域网的硬件接口 与软件协议。 关键词： 单总线微型局域网点对点协议互联网m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 温控系统 r 。一 - 华中科技大学硕士学位论文 j _ _ b - , i 1- - - 日= i ；= = = a b s t r a c t d a l l a ss e m i c o n d u c t o r m a x i mp r o v i d e sat e c h n o l o g yc a l l e d1 - v c l r e 9 d i f f e r i n gf r o m m o s ts t a n d a r ds e r i a ld i g i t a lc o m m u n i c a t i o n n o d e s , s u c h 勰s p i i 。c m i c r o w i r e ，1 - w i r e t e c h n o l o g y u s e sas i n g l e w i r e ( p l u sg r o u n d ) t oa c c o m p l i s hb o t hc l o c kt r a n s f e r a n dd a t a t r a n s f e r , f u r t h e r m o r et h ec o m m u n i c a t i o nj s b i d i r e c t i o n a l ，i th a sa o ro fa d v a n t a g e ss u c ha s s a v i n gg p i or e s o r c e ，r o b u s t ，s i m p h e i t y ，l o w c o s t ，e a s yt oe x t e n d a n dm a i n t a i n t h e1 - w i r e n e ti sc a l l e d ”m i c r o l a n ” t h em i c r o l a ni sak i n do fm a s t e r s l a v en e t w o r kb a s e do nap co rm i c r o c o n t r o l l e rt h a t i st h em a s t e rd e v i c eo ft h es y s t e m ，t h em a s t e rd e v i c ei si nc h a r g eo ft h em a r l a g e m e n to fa l l t h es l a v ed e v i c e sa n dt h ei m p l e m e n to fa l lt h ec o r m u u n i c a t i o ub e t w e e nt h e m 1 1 托s c a l eo ft h e m i c r o l a ni sv a r i a b l e s e v e r a lm i c r o l a n sc a l lb ec o n n e c t e dt h r o u g ht h em a s t e rd e v i c e s ， f u r t h e r m o r ea c c e s s e dt oi n t e r a c t n l cm i c r o l a na d a p t sg r e a t l yt ot h ef i e l db u sa p p l i c a t i o n t h ei n t e m e ti s e n t e r i n gan e we r aw h e r ei ti m p a c t so u rl i v e s a tw o r ka n da th o m e r e g a r d l e s so fd i s t a n c e ，i t i sc l e a rt h a tt h i s t e n d e n c yw i l l a f f e c tt h en e x te v o l u t i o no ft h e i n f o r m a t i o ns u p e rh i g h w a y a tt h es a l b et i m ew e b r i n gf o r w a r d t h e c o n c e p t o f “l o c a l e1 - w i r e b u sa c c c s s i t h i sp a p e ri m p l e m e n t sac o n c r e t et h e r m o s t a tm i e r o l a n u s i n gd s l 8 8 2 0 a n dd s 2 4 0 5t o m l 丘nt h ec o n e c d to f l o c a l e1 - w 扛eb u sa c a ：o s s a l s ot h ei n t e n t i o no ft h i sp a p e ri st o s h o wt h a tas 】嘞nr e s o u r c ec o n s t r a i n e dm i c r o c o n t r o l l e rc 强b ec o r m e c t e dt ot h ei n t e r n e tw h e n t h ea p p r o p r i a t er e s o u r c e sa n dw e l l - s u i t e dc p u ( c e n t r a lp r o c e s s o ru n i t ) a r c h i t e c t u r e ，s u c ha s t h eo d eo ft h em c 6 8 h 0 0 8 f a m i l y o fm c u s , a r e p u t i np l a c e k e y w o r d s ： 1 w 豇eb u sm i c r o l a np o i n t - t o - p d h a tp r o t o c o l i n t e m e t m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2t h e r m o s t a t 一 华中科技大学硕士学位论文 1 1 背景 1 绪论 随着网络技术与现场测试的蓬勃发展，一种称作“单线总线( 1 w k cb u s ) ”的技术 应运而生n 1 ，这是基于一对线( 一根数据线，一根参考地线) 的总线技术，由此组成的网 络称为“微型局域网”( m i c r o l a n ) 。它与当今流行的计算机局域网有本质的不同，后者 各节点上的计算机或外设都自备电源，网线上只传输数据信息。微局网的两根网线不仅 传输数据，而且要通过网线由主机集中给各节点设备馈送电源，就如电话交换机集中给 用户电话机供电一样。然而它与电话网络又有本质的差别，后者是星型网络，一个用户 独占对线，因而供电与语音信号共线并不困难。微型局域网则是基于总线结构的，许 多用户设备并挂在这一对线上，这样要实现对某个指定设各的电源馈送与数据通信兼容 就绝非容易之事。 微型局域弼是一种主从式网络，它以p c 或m c u 为网络控制器，这是系统中的主 设备，而网上的其它设备全部称为从设备，它们由主设备集中管理，实现主设备与各从 设备之间的数据通信。网络规模可大可小，从设备的节点数可从几个到数千个，理论上 几乎没有限制。通过控制器可将数个微型局域网互联，或者与以太同等计算机网络互联， 最终连接到i n t e r a c t 。这种网络结构非常简单，只需对普通双绞线就能组网，从设备 又无需自备电源，因而建网快，成本低，最适合于现场应用，是现场总线技术中的佼佼 者。目前国际上已有相应的标准与系列产品，例如美国d a l l a ss e m i c o n d u c t o r 公司推出的“1 - w i r e t mc h i p s ”系列就包括了寻址开关、驱动器、耦合器、保护电路、 r a m e e p r o m 、计数器、数字温度计、刖d 转换器等2 0 多个品种的集成芯片向全球销 售。在野外现场监测、智能大厦、安全报警等场合广泛应用。国内目前应用的现场监测 系统，一般均基于多线制、或者数字，桴l 拟兼备、或者各节点自备电源，总之还未见到有 关这种单总线技术的微型局域网之任何报道，所见到的也仅仅是基于单总线技术的简单 应用，主要是使用其提供的数字温度传感器进行简单的温度测量，规模很小，远没有涉 及网络的范畴。偶尔有人甚至将少数几台计算机联成的网络误称为微型局域网。因而开 展微型局域网的研究与开发及推广应用势在必行。 随着计算机和通讯技术的飞速发展，接入i n t e r a c t 越来越快捷便利。现在用户接入 i n t e r n e t 的方式主要有两种：一种是通过电话线和m o d e m ，用户拨号连接到i n t e r n e t 服 务商( i s p ) ，通过i s p 同i n t e r a c t 上的其他主机通讯；另一种是通过以太网专线接入 i n t c r n e t 。不同的接入方式采用不同的通讯协议。 - 1 一 华中科技大学硕士学位论文 1 2 本课题的提出 基于时代的要求，将我们刚才提到的微型局域网接入到i n t e r a c t 是大势所趋，同时 我们提出了“现场单线接入网”的概念。通过互联网我们可以在世界上任何一个能接入 i n t e m e t 上的地方对远方的测控中心进行远程控制。“现场单线接入网”不仅可以广泛 地应用于各种现场检测，还可以引进到目前的“信息家电”概念中，从而在我们每个人 的家里组建微型局域网并接入互联网，实现信息化家庭的构想。由此，我们可以自然地 预见到“现场单线接入网”的可观的应用前景。 基于以上的背景，打算结合一套实用的现场检测与控制方案来实现“现场单线接入 网”的设想，即“温度测控微域网”。 1 3 本课题的目的和意义 在大型仓储室、实验室、农场塑料大棚甚至我们每个人的居室里经常需要对环境温 度进行检测，并根据实际的要求对环境温度进行控制。结合实际的要求，可能还需要对 现场检测的温度数据进行存储、分析并将温度数据通过接入i n t e r n e t 网来发布到远方服 务器上，提供信息的共享，以及完成对现场温度的远程控制。 以下是我们这套远程温控系统的主要功能描述： 对一定空间内的多个坐标位置迸行温度测量，并存储一定时间间隔的历史数据 通过键盘设置相邻两次温度采样的间隔时间。 增加或减少测控点不需断电，傲到“即插即用”。 通过外设键盘设置每个坐标位置的低温报警值和高温报警值以对相应位置的温度 进行控制，如满足设定的报警条件剜采取相应的声讯报警措施或是启动制热、制冷以及 通风设备； 数码管实时显示所选位置温度值。并可根据用户要求显示一定时间内历史记录。 可选择的i n t e m e t 接入方式：a ) 拨号接入i s p 以连接i n t e m e t 可选择i s p 服务商 并通过键盘输入用户名与密码；b ) 以太网接入i n t e m e t ，采用嵌入式操作系统，内嵌简 化的t c p i p 协议。 网络控制器u 向远方服务器上载历史数据，服务器端软件将其存入数据库，并对 一段时期历史数据进行分析。如有报警信息则及时通知远方服务器，同时网络控制器u 下载数据库中相应的高温报警值与低温报警值设置数据表，以完成远程控制功能。 服务器端提供w e b 服务，使接入到i n t e r a c t 上的不同授权用户浏览网络控制器u 2 一 华中科技大学硕士学位论文 的历史数据或设置测控节点的高温低温报警值。 由于微型局域网只用两根线组网、现场检测节点设备又无需自备电源、仅仅在被选 中的短暂时间内由主设备供给寄生电源，这在现场总线技术中实属革命性的突破，将给 各种现场监控场合带来“福音”。 本课题的实现将为进一步开展微型局域网的应用研究打下基础，尤其是i n t e m e t 的 接入，为我们以后的控制系统的应用的拓展做出技术积累。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2 单线芯片工作原理 1 - w i r e 单总线是m a x i m 全资子公司d a l l a s 的一项专有技术。与目前多数标准串行 数据通信方式，如s p i 1 2 c m i c r o w i r e 不同，它采用单根信号线，既传输时钟，又传 输数据，而且数据传输是双向的。它具有节省i o 口线资源、抗干扰强、结构简单、成 本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。 1 - w i r e 单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。当只有一个从 机位于总线上时，系统可按照单节点系统操作：而当多个从机位于总线上时，则系统按 照多节点系统操作。 为了较为全面地介绍单总线系统，将系统分为三个部分讨论：基本构成、命令序列 和信号方式( 信号类型和时序) 。 2 1 1基本构成 一硬件结构 顾名思义，单总线只有一根数据线。设备( 主机或从机) 通过一个漏极开路或三态 端口连接至该数据线，这样允许设备在不发送数据时释放数据总线，以便总线被其它没 备所使用。单总线端口为漏极开路，其内部等效电路如图2 1 所示旺1 。 图2 1单总线的硬件接口示意图 单总线要求外接个约5 k 的上拉电阻，这样的话单总线的闲置状态为高电平。不 管什么情况下，如果传输过程需要暂时挂起，且要求传输过程还能够继续的话，则总线 一_-_-_-_-_-_-_-_一 一4 华中科技大学硕士学位论文 必须处于空闲状态。位传输之间的恢复时间没有限制，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 0us ，总线上的所有器件将复位。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 l 所示的m 0 s f e t ) 二6 4 位i 的m 按照美国d a l l a s 公司的标准，每个从设备，实际上这里讲的是具有单总线功能的芯 片( 1 - w i r e c h i ) ，它们都有独自的6 4 位r o m 标识代码，亦即码，厂家生产每个 芯片的时候就已经标定。r o m 数据的第一个8 位表示单线产品的分类码，例如可寻址 开关d s 2 4 0 5 的分类码是0 5 h ，温度计d s l 8 8 2 0 的为2 8 h ，4 通道a d 转换器d s 2 4 5 0 为2 0 h 等等。接下来的4 8 位是标识器件本身的序列数码，可见每种器件可生产2 4 8 = 2 5 6 g 片而无重码，最末一个8 位则是前5 6 位的c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 校验码， 具体格式如下： 二巫亟二 二至亟堕二 二亟匣正 m s b l s bm s bl s bm s bl s b 通过这6 4 位r o m 码与有关通信协议就能在具有任意多个节点的单总线网络中方便 地识别出每个设备，实现数据通信。 三c r c 生成器 单总线网络因为它的网络主干信号传输线少，传输距离长，网络硬件配置较简单而 在远距离的低速测控系统中占有很大的优势。但是如何保证远距离的数字信号的可靠 性，必须具有相应的机制，在单总线网络中，保证信号可靠传输的机制是：采用c r c 循环冗余校验码。 c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 成为循环冗余码检测，是数据通信中校验数据传 输是否正确的一种方法。c r c 校验原理实际上就是在一个p 位二进制数据序列之后附加 一个r 位二进制校验码( 序列) ，从而构成一个总长为n = p + r 位的二进制序列，例如， p 位二进制数据序列d = 【电l d p - 2 d l d o ，r 位二进制校验码r = k l r l t o ，所得到 的这个n 位二进制序列就是m = f d p a d r 2 d l d or r - 1 r t - 2 r l t o ；附加在数据序列之后的 这个校验码与数据序列的内容之间存在着某种特定的关系。如果因干扰等原因使数据序 列中的某位或某些位发生错误，这种特定关系就会被破坏，因此，通过检查这一关系， 就可以实现对数据正确性的检验。校验码r 是通过对数据序列d 进行二进制除法取余 式运算得到的，它被一个称为生成多项式的( h 1 ) 位二迸铽序列g = - g , g , a g l g o 来除， 华中科技大学项士学位论文 l - _ - l _ - _ - - _ _ - l i _ l _ _ - _ _ l i _ i _ l i _ _ l _ _ l i l i - 目l _ _ 用多项式形式表示为： 等- q + 器g ( g ( 砷 ( 1 ) 其中，工7 d ( 功表示将数据序列d 左移r 位( 即在d 的末尾再增加r 个0 位) ，q ( 曲 代表这一除法所得的商，尺( 工) 就是所需的余式。这一运算关系还可以用式( 2 ) 来表达： 即 即邶e 离 ( 2 ) 其中，r e 口表示对括号内的式子进行取余式运算a 检验码的编码计算如上所述，而检验过程则是对m 序列直接进行除法取余式运算， 器咧砷+ 器 或表示为 粥峨鬻 ( 3 ) ( 4 ) 所得到的余式只( 曲若为零则表示数据正确，否则认为发生错误。 由此g ( 曲作为生成多项式产生的c r c 码可检测出下列错误：所有的双错、奇数位 错、突发长度小于等于r 的突发错、o 一2 - ( 9 ) x 1 0 0 的突发长度等于r + l 的突发错和 n 一2 + 7 1 0 0 的突发长度大于等于r + 2 的突发错。 总线主设备能够计算出收到的5 6 位r o m 数据的循环冗余校验c r c 值，并与接受 到的8 位c r c 校验码进行比较，从而判断其数据传输是否有错，c r c 的生成多项式为： c r c = x a + x 5 + ) c i + 1 器件本身就是按照上式产生c r c 并提供给主设备来核实传输的数据字节这个多 项式可由移位寄存器与x o r 异或门构成，如图2 2 所示。移位寄存器各位的初始值为0 ， 由分类码的最低位l s b 开始移位，8 位分类码移入后，接着输入4 8 位序列码，移位的 结果在寄存器中。待8 位c r c 移位后寄存器应该全部返回到0 。 华中科技大学硕士学位论文 四寄生电源 图2 2c r c 发生器 顾名思义，单线总线产品的突出优点之一是相互连接时所用连线极少，有利于长距 离与现场组网，但很多这样的场合供电困难，为此单线总线产品就具有另个突出的特 点，即：琴使用独立的电源而由单线总线寄生供电旺1 。 如图2 3 所示，整个器件的电源来自数据信号线，这种“偷电”式供电又称寄生电 源( p a r a s i t ep o w c l ) 。当单总线d a t a 为高电平时不仅经二极管给芯片提供了电源，同 时又给内部的电容器充电而储存了能量，使之d a t a 为低电平时芯片仍可工作。为确保 器件正常工作，总线上应保障能提供足够的电源，一般应有l m a 的供电电流，因此当 主设备使用5 v 电源时，总线上拉电阻不可大于5 k q 。显然，当总线上有多个器件同时 操作时就会出现供电不足的问题。 图2 3 单总线器件使用寄生电源 这里有两种办法解决供电不足的问题，第一个办法是使用m o s f e t 将f o 线强拉到 5 v ，如图2 1 所示。 一- _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ - - - - _ - - - _ _ _ _ - _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - - _ - _ _ - - _ _ - _ - _ 一 7 - 华中科技大学硕士学位论史 第2 种办法是通过v c c 引脚使用外接电源，l o 线则用4 7k q 的电阻拉至j v 。这 种供电有以下优点：1 ) 一条总线上挂的器件数量不受限制；2 ) 它无需很强的上拉；3 ) 在器件高负荷工作期间，i o 线不必持久保持高电平；4 ) 特别是多个器件可以同时工作。 2 1 2 命令序列 典型的单总线命令序列如下玛1 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 中任何条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，必须返回至第一步。 一初始化 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的复位 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。复位和应答脉冲的时间详见单总线信号部分。 二r o m 命令 在主机检测到应答脉冲后，就可以发出r o m 命令。这些命令与各个从机设备的唯 一6 4 位r o m 代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时，指定操作某个从 机设备。这些命令还允许主机能够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 4 所示。下面将简要地介绍各个r o m 命令的功能，以及 使用在何种情况下。 ( 1 ) 搜索r o m f 0 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 循环( 搜索r o m 命令跟 随着位数据交换) ，以找出总线上所有的从机设备。如果总线只有一个从机设备，则可 8 华中科技大学硕士学位论文 图2 4r o m 命令流程图 。_ - 。- - 。一_ 。_ 。_ 。_ _ _ 。_ _ _ _ - _ 。_ 。_ 。- - _ - _ - 。_ - _ _ _ _ _ - 。_ _ _ - - _ _ _ - _ - - - _ - _ - 。_ - _ _ _ - - _ - - _ - _ _ - _ - - - - i _ _ _ - _ _ 。_ _ _ _ 一 9 华中科技大学项士学位论文 以采用读r o m 命令来替代搜索r o m 命令。关于搜索r o m 命令的详细解释，请参见 附录2 的r o m 搜索实例在每次执行完搜索r o m 循环后，主机必须返回至命令序列 的第一步( 初始化) 。 ( 2 ) 读r o m 3 3 h 】( 仅适合于单节点) 该命令仅适用于总线上只有一个从机设备。它允许主机直接读出从机的6 4 位r o m 代码，而无须执行搜索r o m 过程。如果该命令用于多节点系统，则必然发生数据冲突， 因为每个从机设备都会响应该命令。 ( 3 ) 匹配r o m 5 5 h 匹配r o m 命令跟随6 4 位r o m 代码，从而允许主机访问多节点系统中某个指定的 从机设备。仅当从机完全匹配6 4 位r o m 代码时，才会响应主机随后发出的功能命令： 其它设备将处于等待复位脉冲状态。 ( 4 ) 跳访r o m c c h 】( 仅适合于单节点) 主机能够采用该命令同时访问总线上的所有从机设备，而无须发出任何r o m 代码 信息。例如，主机通过在发出跳访r o m 命令后跟随转换温度命令 4 4 h ，就可以同时命 令总线上所有的d s l 8 8 2 0 开始转换温度，这样大大节省了主机的时间。值得注意，如 果跳访r o m 命令跟随的是读便笺存储器【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都响应该命令而引起数据冲突。 ( 5 ) 报警搜索 e c h 】( 仅少数1 - w i r e 器件支持) 除那些设置了报警标志的从机响应外，该命令的工作方式完全等同于搜索r o m 命 令。该命令允许主机设备判断那些从机设备发生了报警( 如最近的测量温度过高或过低 等) 。同搜索r o m 命令一样，在完成报警搜索循环后，主机必须返回至命令序列的第 一步。 三功能命令( 以d s l 8 8 2 0 为例) 在主机发出r o m 命令，以访问某个指定的d s l 8 8 2 0 ，接着就可以发出d s l 8 8 2 0 支持的某个功能命令h 1 。这些命令允许主机写入或读出d s l 8 8 2 0 便笺存储器、启动温 华中科技大学硕士学位论文 度转换以及判断从机的供电方式。d s l 8 8 2 0 的功能命令总结于表2 1 中，并在图2 5 流 程图中作了说明。 表2 1d s l 8 8 2 0 功能命令集 发送命令后单总 命令描述命令代码 注释 线上的响应信息 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 读全部的便笺存储 d s l 8 8 2 0 传输多 读便笺存储器 器内容包括c r c 字 b e h 达9 个字节至主机 节 写便笺存储器第2 、 3 和4 个字节的数据主机传输3 个字节 写便笺存储器 4 e h ( 即1 h ， i l 和配 数据至d s l 8 8 2 0 置寄存器) 将便笺存储器中的 拷贝便笺存储器 r a ，1 l 和配置字节 4 8 h 无 复制到e e p r o m 中 将 l h ，t l 和配置 d s l 8 8 2 0 传送回 回读e e p r o m字节从e e p r o m 回b 8 h 读至便笺存储器中 读状态至主机 读电源命令 d s l 8 8 2 0 返回它 读取使用的电源类所使用的电源信 读电源 b 4 h 型息：0 为寄生电源； 1 为外接电源 注释： 在温度转换和复制便笺存储嚣数据至e e p r o m 期间，主机必须在单总线上允许强上拉，并且在 此期闫总线上不能进行其它数据传输： 通过发出复位脉冲，主机能筘在任何时候中断数据传输； 在复位脉冲发出前必须写入全部的三个字节。 1 l - 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 信号方式 图2 5o s l 8 8 2 0 的功能命令滚程圈 1 2 华中科技大学硕士学位论文 所有的单总线器件要求采用严格的通信协议以保证数据的完整性。该协议定义了几 种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0 、写1 、读0 和读1 。所有这些信号，除了应答 脉冲以外，都由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前， 这一点与多数串行通信格式不同( 多数为字节的高位在前) 巧1 。 一初始化序列复位和应答脉冲 单总线上的所有通信都是以初始化序列开始，包括：主机发出的复位脉冲及从机的 应答脉冲如图2 6 所示。当从机发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它处于总线 上，且工：作准备就绪。在主机初始化过程，主机通过拉低单总线至少4 8 0us ，以产生( t x ) 复位脉冲。接着，主机释放总线，并进入接收模式( r x ) 。当总线被释放后，5 k 上拉 电阻将单总线拉高。在单总线器件检测到上升沿后，延时1 5 6 0us ，接着通过拉低总线 6 0 2 4 0us ，以产生应答脉冲。 v 阿 卜i t i r e 总线 g ，m ， 二读，写时隙 主机发送复位主机接受 图2 6 单总线初始化时序图 在写时隙期间，主机向单总线器件写入数据；而在读时隙期间，主机读入来自从机 的数据。在每一个时隙，总线只能传输一位数据。 ( 1 ) 写时隙 存在两种写时隙：“写1 ”和。写0 ”。主机采用写1 时隙向从机写入】，而采用写 一- _ _ _ - _ _ - _ - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ - _ - - 一 华中科技大学硕士学位论文 i j e l 4 i l _ _ l j - _ _ - _ l _ 目_ _ _ _ i _ i l _ i l - ；i - i _ 目；目= 自。 0 时隙向从机写入0 。所有写时隙至少需要6 0us ，且在两次独立的写时隙之间至少需要 1us 的恢复时间。两种写时隙均起始于主机拉低总线( 图2 7 所示) 。产生写1 时隙 的方式：主机在拉低总线后，接着必须在1 5 i ls 之内释放总线，由5 k 上拉电阻将总线 拉至高电平；而产生写0 时隙的方式在：主机拉低总线后，只需在整个时隙期间保持低 电平即可( 至少6 0us ) 。 在写时隙起始后1 5 6 0 us 期间，单总线器件采样总线电平状态。如果在此期间采 样为高电平，则逻辑1 被写入该器件；如果为0 则写入逻辑0 。 ( 2 ) 读时隙 圈2 7 主机读写时踩的时序示意图 单总线器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据 华中科技大学硕士学位论文 命令后，必须马上产生读时隙，以便从机能够传输数据所有读时隙至少需要印s ， 且在两次独立的读时隙之间至少需要1 i ts 的恢复时间每个读时隙都由主机发起，至 少拉低总线1 l , ts ( 图2 7 所示) 。在主机发起读时隙之后，单总线器件才开始在总线上 发送0 或1 。若从机发送1 ，则保持总线为高电平：若发送0 ，则拉低总线。当发送0 时，从机在该时隙结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态。从机发 出的数据在起始时隙之后，保持有效时间1 5 us ，因而，主机在读时隙期间必须释放总 线，并且在时隙起始后的1 5 ps 之内采样总线状态。 2 2 数字温度计 2 2 1 概述 1 - w i r e 数字温度计( 1 w j r ed i g i t a lt h e r m o m e t e r ) 的典型产品是d s l 8 8 2 0 ，它的外 封装形如三极管，仅有三个引脚：除g n d 与电源v d d 外，余下的d q 就是数据输入 输出d a t ai n o u t 。它不需要外接元件，内含温度传感器，能输出弦1 2 比特温度读数， 测温范围从5 5 叶1 2 5 ( c 2 ) ，步长为0 5 c ，或者6 7 一十2 5 7 ( 甲) ，步长为o 9 1 7 。表2 中描述了目前提供的所有的产品。 d s l 8 8 2 0 的内部构成框图见图2 8 。其他的1 - w i r e 数字温度计的原理框图也与之类 似。 _ 2 寄生电一电路d s l 8 8 2 0 + 一内存控糊逻辑 1 0 一- 内部v + 一沮度传暴暑 j d q 制啪! 髓 硒i - t c 和 一者沮报警蔚蓝毒存嚣f z - v i a n l l m 屯， 便笺存储嚣 叫氍沮报警懂寄存嚣i 岫i -l 电糠供立l 卅配置膏存暑l i 传暮嚣l + 叫 8 位的c 船爱生嚣 l 图2 8i 5 1 8 8 2 0 原理框图 华中科技大学硕士学位论文 衰2 21 - w i r e 数字温度计 型号描述精度( )供电电压( v )测量范围( )分辨率( 位) 高精度 d s t 8 8 2 01 w i r e 数字0 53 0 - 5 55 5 + 1 2 59 一1 2 温度计 高精度寄生 d s l 8 8 2 0 一p a r电源1 - w i r e0 53 0 - 5 55 5 + 1 0 09 1 2 数字温度计 倒装晶片 d s l 8 8 2 0 x 1 一w i r e 数字2 3 0 - 5 55 5 一+ 1 2 59 1 2 温度计 1 - w i r e 数字 d s l 8 s 2 00 53 0 - 5 55 5 一+ 1 2 59 温度计 寄生电源 d s l 8 s 2 0 一p a r1 - w i r e 数字0 53 0 - 5 55 5 - + 1 0 09 温度计 经济型 d s l 8 2 2i - w i r e 数字23 0 5 _ 55 5 一+ 1 2 5 9 1 2 温度计 经济型寄生 d s l 8 2 2 - p a r电源1 - w i r e23 0 - 5 55 5 一+ 1 0 0 9 - 1 2 数字温度计 d s l 8 8 2 0 内主要包含3 个数据元素：1 ) 6 4 位光刻的r o m 码，这个是每个1 - w i r e 器件所独有的。2 ) 温度传感器。3 ) 非易失的高温低温温度报警触发寄存器t h 和t l 以 及非易失的配置寄存器，其中t h 和t l 主要用于存放温度报警的上限值和下限值，配置 寄存器主要用于设置转换精度。 便笺存储器( s c r a t c h p a dm e m o r y ) 主要存放温度数据。器件仅使用1 个端口与主设 备实现串行通信，所有数据的读写传输都约定为最低位l s b 在前。 d s l 8 8 2 0 的r o m 功能命令除2 1 2 小节中介绍的读r o m 匹配r o m 跳访r o m 艘 索r o m4 条以外，还独有1 条报警搜索命令。该命令的代码为e c h ，其流程类似搜索 r o m 命令，然而，仅当下次温度测量满足报警条件时d s l 8 8 2 0 才会响应这个命令。所 谓报警条件是指温度高于上限值 1 7 - i 或低于下限值t k 这两个触发报警的阀值由用户 设置而保存在e e p r o m 中。 r o m 功能协议是总线工作的前提，在未执行r o m 功能命令之前，存储器操作与 启动转换等控制功能都是无效的。d s l 8 8 2 0 的r o m 功能操作流程可以参考图2 5 ，实 1 6 华中科技大学硕士学位论文 ；| _ _ _ _ _ i _ l _ l - _ - # _ _ _ _ - = _ i p m j l , 际上大部分的1 - w i r e 器件的r o m 功能操作都是类似的 在进行温度转换以及从便笺存储器拷贝数据到e e p r o m 的时候，d s l 8 8 2 0 的工作 电流可能高达1 5 m a 。d s l 8 8 2 0 有寄生电源与外接电源两种供电模式。使用外接电源的 优点是：1 ) i o 线无需强上拉。2 ) 在温度转换期间主控不必维持数据线为高电平，因 而可以同另外的器件交换数据。3 ) 如果所有的d s l 8 8 2 0 都使用外接电源的话，总线上 就可以挂接任意多个，并且只要在发出跳访r o m 命令之后再送温度转换命令，那么所 有的器件就能同时进行转换。 使用寄生电源时，由于器件在转换或拷贝等工作状态下耗电较大，必须保持数据线 处于可充电的高电平状态。此外当温度高于1 0 0 时，不可使用寄生电源，因为此时器 件存在较大的漏电流丽不能可靠地操作。 在实际应用中主设备并不知道单总线上哪些d s l 8 8 2 0 在使用寄生电源，哪些在使 用外接电源，因此d s l 8 8 2 0 应能向主设备报告它使用的是何种电源，主设备才能决定 单总线上是否需要强上拉。具体做法是主设备先发出跳访r o m 命令，接着再发出读电 源命令，此后将输出读时隙，这时使用寄生电源的d s l 8 8 2 0 会传回个0 ，使用外接电 源的则传回一个1 。这样，如果主设备收到的是0 ，那么它就知道总线上挂有使用寄生 电源的d s l 8 8 2 0 ，在温度转换期间它就会通过m o s f e t 将总线电压强拉至正电源。 2 2 2 操作原理 一温度测量 作为d s l 8 8 2 0 的核心部件的温度传感器是一种直接到数字( d i r e c t t o d i g i t a l ) 的温 度传感器。温度传感器的糟度是可编程的，能从9 位到1 2 位，分别对应0 5 ，0 ，2 5 ，0 1 2 5 ，0 0 6 2 5 的分辨率。器件上电的初始分辨率是1 2 位。当不进行温度转换时，d s l 8 8 2 0 处于低功耗的空闲状态。通过发送温度转换命令( 4 4 h ) 来进行温度转换的初始化和a d 转换过程。温度转换完毕以后，转换的结果存储到便笺存储器的2 字节的温度结果寄存 器中，同时d s l 8 8 2 0 重新进入空闲状态。如果d s l 8 8 2 0 是由外部电源供电，那么在温 度转换命令发出以后。主设备可以通过发送0 到总线上来查询转换是否结束，如果 d s l 8 8 2 0 返回0 则表明正在转换，如果返回1 则表明转换已经结束如果是通过寄生电 源供电的话，就不能通过这样的方法来查询转换的状态了，因为在这种情况下，主设备 转换过程中必须保持总线为强上拉状态。 d s l 8 8 2 0 的温度转换结果读数有1 6 位，为带符号扩展位的二进制补码格式，单位 为摄氏度( ) ，可以通过查找表或转换醢数来得到相应的华氏度( 下) 。温度转换的 结果如图2 9 所示。符号位s 指示转换温度的正负。如果d s l 8 8 2 0 编程为1 2 位的转换 1 7 华中科技大学项士学位论文 精度，那么所有的位数都为有效数字；如果编程为1 1 位的转换精度，那么b 的为无效 数字，其他的位数都为有效数字；如果编程为1 0 位的转换精度，那么b i t o 和b i t l 为无 效数字，其他的位数都为有效数字；如果编程为9 位的转换精度，那么b i t o 、b i f l 和b i t 2 为无效数字，其他的位数都为有效数字。表2 3 列出了在1 2 位转换精度时一些温度转换 结果值和其对应的温度值。 b i t7b i t6b i t5b i t4 b i t3b i t2b i t1b i t0 l sb y t e 至工二 夏 二 至丑二夏工至习卫 b i t1 5b i t1 4b i t1 3b i t1 2b i t1 1b i t1 0 b i t9b i t8 m sb y t e 图2 9 温度转换结果的格式 表2 3 温度数据关系衰 温度数字输出( - - 进制)数字输出( 十六进制) + 1 2 5 0 d 0 00 1 1 11 1 0 10 0 0 0o 7 d o h + 8 5 0 0 0 00 1 0 10 1 0 10 0 0 00 5 5 0 h + 2 5 d 6 2 5 0 0 0 0 0 0 0 11 0 0 10 0 0 10 1 9 1 h + 1 0 1 2 5 0 0 0 0 0 0 0 01 0 1 00 0 1 0 0 0 a 2 h + 0 j 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 01 0 0 00 0 0 8 h 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 h - 0 5 1 2 1 1 1 1i i i i1 1 1 11 0 ( ) 0嗣f f 8 h 1 0 1 2 5 i i i i1 1 1 10 1 0 11 1 1 0f 】瞪勘 一7 - 5 0 6 2 5 1 1 1 11 1 1 00 1 1 01 1 1 1同胁 5 5 1 1 1 11 1 0 01 l0 0 0 0f c 9 0 h 注意：温度转换结果寄存嚣上电初始值为+ 弱 二报警操作 d s l 8 8 2 0 完成温度转换之后，其温度转换结果值将与存储的t