（电路与系统专业论文）基于sopc的多点温湿度检测系统.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 弓缁t 1 日期：年月日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论义及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论义或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： _ 经、山 卢 、 同期：年月 日 摘要 摘要 随着电子技术的高速发展，基于s o p c 的系统解决方案深受电子工程师的青 睐。本文在传统的以单片机为核心的多点温湿度检测系统的基础上，提出了基 于s o p c 的多点远距离温湿度点检测设备的设计方案。文章重点阐述了s o p c 平 台环境的建立、系统的硬件设计和系统软件的调试实现。 本文在硬件设计方面采用c y c l o n e i i 系列的f p g a 芯片e p 2 c 8 0 2 0 8 c 8 ；检测 总线采用单总线和l a x 4 8 5 总线；检测网络采用开关型的星行结构；温度点采用 单总线d s l 8 8 2 0 器件： 本文的软件设计方面包含s o p c 硬件平台的构建和应用程序的开发。首先在 硬件设计基础上构建n i o si i 处理器、s o p c 嵌入式硬件平台并设计了1 2 c 硬件 模块。然后利用n i o si ii d e 软件实现读取e e p r o m 中的温度点地址、温度和湿 度传感器的数据，并在1 2 8 x 6 4 液品显示器显示检测结果。 在传统的检测系统的设计基础上，本检测系统设计方案采用前沿的s o p c 技 术，并充分利用了s o p c 设计的软硬结合的特点，最终实现了各项技术指标，并 具有扩展性强、升级容易、巡检速度快等优点。s o p c 设计的软硬协同的理念不 同于传统处理器设计思想，它的全新的设计理念为以后的设计工作指明了一条 新路。在课题的开发过程中作者充分体验到软硬协同这一设计特点的魅力和快 捷。 关键词：s o p c ；卜w i r e ；1 8 8 2 0 ；d s 2 4 0 9 ；温度检测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h es o l u t i o n sb a s e do n s o p ca r ed e e p l yf a v o r e db ye l e c t r o n i ce n g i n e e r so fa l la g e s i nv i e wo fs i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e ra st h ec o r eo ft h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，ar e a l t i m e m o n i t o r i n ge q u i p m e n tw h i c h u s e st od e t e c tm a n yt e m p e r a t u r es e n s o r si nt h er e m o t e p l a c e ，i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ea r t i c l ef o c u s e so nt o p i c so fs y s t e mh a r d w a r e d e s i g n ，e s t a b l i s h m e n to fs o p cp l a t f o r me n v i r o n m e n t ，a n ds o f t w a r ed e b u g g i n ga n d i m p l e m e n t a t i o n i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ed e s i g na d o p t e dc y c l o n e l is e r i e se p 2 c 8 q 2 0 8 c 8o f f p g a ，1 - w i r ea n dm a x 4 8 5b u si su s e di ns y s t e mi n s p e c t i n gb u s t h ed e t e c t i o n n e t w o r ku s e ss w i t c h e ds t r u c t u r eo f t h es t a r , t e m p e r a t u r es e n s o ru s e sd s18 8 2 0 s o f t - w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi n c l u d e ds o p ch a r d w a r ep l a t f o r md e s i g na n d a p p l i c a t i o ne x p l o i t a t i o n f i r s t l y ，an i o si ip r o c e s s o r , a ns o p ce m b e d d e dh a r d w a r e p l a t f o r m ，a n da n1 2 ch a r d w a r em o d u l ea r eb u i l d e d s e c o n d l y , u s i n go f n i o si ii d e s o f t w a r e ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mr e a d sa d d r e s s e so ft e m p e r a t u r ep o i n t sf r o me e p r o m a n dd a t af r o mah u m i d i t ys e n s o r d e t e c t i n gd a t ao fs y s t e mi sd i s p l a y e di n12 8 x 6 4 l c d i nv i e wo ft h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o ns y s t e m ，a d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fs o p ci s a d o p t e di nt h i sp a p e r t h ed e t e c t i o ns y s t e mw h i c hu s e sc o l l a b o r a t i v es o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g n ，h a sa d v a n t a g e so fs t r o n ge x p a n s i o n ，e a s yu p g r a d e ，f a s ti n s p e c t i o n s p e e de t c v a r i o u st e c h n i c a li n d e x e so fs u b j e c ta r ef i n a l l ya c c o m p l i s h e d t h ei d e ao f t h ec o l l a b o r a t i v es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，w h i c hw i l lb ean e wr o u t eo fl a t e r d e s i g nw o r k ，i sd i f f e rf r o mt h ec o n c e p to f t r a d i t i o n a lp r o c e s s o rd e s i g n d u r i n gt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s si nt h es u b j e c t ，if u l l ye x p e r i e n c et h ec o l l a b o r a t i v es o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g nf e a t u r e so f t h i sc h a r ma n dq u i c k k e y w o r d ：s o p c ；l w i r e ；18 8 2 0 ；d s 2 4 0 9 ；t e m p e r a t u r ed e t e c t i o n h 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1多点温度检测系统的发展状况1 1 2 检测系统功能介绍1 1 3 选题背景及意义2 1 4 论文的主要研究t 作和内容安排2 第二章s o p c 技术概述4 2 1s o p c 简介4 2 2s o p c 系统设计流程4 2 2 1n o i s l i 处理器的设计步骤4 2 2 2s o p c 系统设计流程5 2 3s o p c 系统开发环境5 2 4s o p c 系统框架6 2 4 1n i o si ic p u 6 2 4 2a v a l o n 总线7 2 4 3 外设模块8 第三章检测系统总体设计方案9 3 1 温度检测网络的设计9 3 1 1o - 总线技术概述9 3 1 1 1 硬作结构9 4 1 7 1m a x 4 8 5 通信接l j 电路2 5 4 1 7 2m a x 2 3 2 通信接口电路2 5 4 2 检测系统温湿度电路的设计2 6 口录 4 3 检测系统驱动板电路的设计2 6 4 4 检测系统键盘板电路的设计2 7 4 5 系统检测平台处理器的定制2 7 4 5 1n i o si ic p u 核的定制2 7 4 5 2i o 的定制2 7 4 5 3s d r a m 控制器的定制2 8 4 5 4f l a s h 控制器的定制2 8 4 5 5 液晶显示器控制器的定制2 8 4 5 6 键盘扫描i o 口定制2 8 4 5 7 串口定制2 8 4 5 8n i o s i ic p u 的编译2 9 4 6 系统检测平台的实现2 9 4 6 1内部r a m 的定制：3 0 4 6 2 内部p l l 的定制3 1 4 6 31 2 c 通信模块的f p g a 实现3 1 4 6 4 系统检测平台的编译、下载3 4 第五章检测系统的软件设计及程序下载3 5 5 1 检测系统软件环境的建立3 5 5 2i o 口模块软件设计3 5 5 3 液晶模块软件设计3 6 5 4 键盘扫描软件设计3 8 5 5 温度点检测软件设计4 0 5 5 1 初始化温度点1 8 8 2 0 的软件 发计4 0 5 5 2 写温度点1 8 8 2 0 一个字节软件设计4 l 5 5 3 读温度点1 8 8 2 0 一个字节软件设计4 2 5 5 4 读取温度点1 8 8 2 0 温度软件设计4 3 v 口录 5 5 5 读取多个温度点软件设计 5 6m a x 2 3 2 通信接口软件设计 5 7 检测系统软件下载及软件程序引导运行分 5 7 i 检测系统的软件下载 5 7 2 软件引导运行分析 第六章结论与展望 参考文献 附录1系统实物图 附录2 硕士期间发表的论文5 5 致谢5 6 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多点温度检测系统的发展状况 多点温湿度检测系统经历了多年的研发、应用，测温元件由传统的热敏电 阻到现在的数字温湿度传感器。测量温度点的个数由单次测量几个温度点到现 在的数百个温度点。因为传统检测系统的测温元件采用热敏电阻，所以通道转 换采用选择器切换通道，每个独立的通道只能连接一个热敏电阻，系统抗干扰 能力差，误差较大，布线复杂，用到的测量线多。现在市场上主流的数字多点 温度检测系统，检测总线采用单总线，测温元件采用1 8 8 2 0 器件，主控板多采 用单片机，此检测系统用到的测量线较少，检测精度高，但是此检测系统的检 测网络较大，易受到干扰，一个温度点损坏影响到整个检测网络，检测距离有 限，检测温度点的数量有限，如果要增加温度点的数量，需要增加硬件驱动。 此检测系统可移植性差，升级困难。 1 2 检测系统功能介绍 本课题完成的主要功能是远距离检测多个温湿度点，系统的温度测量个数 为9 6 个，温度检测精度达n + o 5 0 c ，采集距离达到6 0 米。系统湿度测量个数 为3 个，湿度测量精度达n z 5 r h ，采集距离达到1 0 米。系统上电后，首先读 取保存到e e p r o m 中的温湿度传感器地址数据到f p g a 芯片内部r a m 中，根据r a m 中的温度点的地址，依次采集9 6 个温度传感器的温度数据，并将数据送入l c d 显示单元，同时分析判断各点温度数据，智能操作外围的控制、报警设备。系 统随时根据需要更改e e p r o m 地址数据，可以通过串口接收计算机发送来的温度 传感器的地址数据，并将地址保存到e e p r o m 相应的空间中，也可以自动搜索温 度点的地址数据，然后将地址数据保存到e e p r o m 中。 第一章绪论 1 3 选题背景及意义 随着国民经济的发展，温度测量和控制在各领域发挥着越来越重要的作用， 要求的检测精度越来越高。例如：在粮食的生产和储存问题方面，将粮食温度 控制在合适的范围可以有效的防止粮食的发热霉变。通过分析粮食的温度，从 而判断粮食是否处于安全状态并将粮食霉变消除在萌芽之中m 1 。 传统系统设计采用专用集成电路a s i c ，然而随着系统复杂性不断提高，系 统功能不断增强，开发周期越来越短，标准协议不断改变，传统系统设计方法 表现出开发成本不断增长、设计周期长等不足州。目前以单片机为核心传统的 设计系统，逐步表现出资源有限、系统升级困难等缺点，越来越多的设计者采 用f p g a 器件开发项目。随着近年来新技术的推出，一方面f p g a 性能越来越强， 例如目前许多f p g a 内部集成了a t l p l l ，乘法器，除法器等5 6 1 各种硬件单元 电路，同时f p g a 厂家提供一定数量的i p 核，更好的发挥了f p g a 的灵活性心1 。 另一方面，因为f p g a 硬件成本的大幅降低，所以过去通常被认为是高端产品才 采用的f p g a 器件现在也像单片机那样得到广泛的j 娩用。在电子设计领域，目前 越来越多的人选用f p g a 器件，例如：在2 0 0 0 年以前中国市场，f p g a 主要应用 于军事和通信市场等高端产品市场，随着硬件成本的不断降低，日i j 开始转向 了工业和消费领域等中底端产品市场伸1 。本课题基于s o p c 的多点温湿度检测系 统采用大容鼍的c y c o l n e i i 系列的e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8f p g a 器件作为核心器件，更 利于产品的后续改动、升级。通过多温度点检测系统的设计与实现，熟练的学 习、掌握了s o p c 片上系统，符合研究生教育体制改革中培养应用型人才的要求。 1 4 论文的主要研究工作和内容安排 本检测系统完成的多点温度检测系统，主要研究s o p c 的多点温度检测系统 n o i si i 核的定制、编译、调试，研究软件的开发调试和如何硬件实现1 2 c 通信 模块，研究f p g a 开发板的设计、制版、焊接、调试。项目内容的安排如下。 2 第一章绪论 第一章：介绍多温度点检测系统的发展状况和选题背景。 第二章：重点介绍s o p c 技术、系统框架和设计方案。 第三章：重点介绍检测系统检测板硬件整体设计方案：阐述检测系统温度 检测网路的设计方案，及构建检测网络元器件性能、参数；介绍检测板软件部 分的整体设计流程图。 第四章：在对整体设计方案掌握的前提下，本章重点介绍课题的各个部分 的硬件电路图，并简单的介绍电路图中用到的元器件的相关知识。在硬件电路 焊接、调试基本通过完成后，重点介绍如何建立检测系统的检测甲台，如何定 制、编译c p u ，调试系统s d r a m 、f l a s h ，硬件实现1 2 c 通信模块。 第五章：重点阐述检测系统的各个功能模块的软件流程图和软件程序编写， 并完成项目的设计要求。 第六章：结论与展望，总结课题的优势和不足，展望课题的未来发展前景。 第二章s o p c 技术概述 第二章s o p c 技术概述 2 1 s o p c 简介 通常一个产品包含处理器c p u 、存储器、i o 口、显示器、u a r t 接口等功能 模块。s o c 是将一个完整产品的各个功能模块集成到一个芯片中，构成一个能 够处理各种信息单芯片电路系统。s o c 设计的优点在于大大缩小了系统体积， 提高了系统的工作性能和抗干扰能力；不足之处在于s o c 是基于a s i c 的基础上 设计，具有开发周期长、设计费用高、设计产品灵活性差、成功率低等缺点。 随着技术的发展，单个芯片上集成的晶体管的数目的增多，a l t e r a 公司提出来 一种灵活的，高效的s o c 解决方案片上可编程系统s o p c ，它成为现代电子 设计的一个新兴的技术方向。在今天产品市场周期越来越短和复杂程度不断提 高的环境下，可编程芯片系统为广大工程师们提供了一种快捷方便的设计之路。 它兼有s o c 和f p g a 的优点，具有硬件和软件可编程、可裁减、可升级等功能， 足软件和硬件综合协同设计技术，将处理器、r a m 等存储器、总线控制器、a l t p l l 等集成到一片f p g a 芯片中。 2 2 s o p c 系统设计流程 2 2 1n o is i l 处理器的设计步骤 s o p cb u ii d e r 是n i o si ii p 核生成工具，大大的简化设计工程师的工作任 务。设计人员在此设计平台上利用常见的元件、接口控制器、a v a l o n 总线等模 块构建n i o s i ii p 核。通常s o p cb u i l d e r 设计主要包括构建开发、系统集成、 系统牛成三个丰要步骤h 1 。 ( 1 ) 构建开发足设计人员开发i p 功能模块的硬件和软件，设计人员将用 来描述i p 模块的文件放到同一个目录下，同时放到s o p cb u ii d e r 的搜索路径 4 第二章s o p c 技术概述 下，这样i p 模块就添加到s o p cb u i l d e r 的i p 模块库中。 ( 2 ) 系统集成是设计人员设计一个系统i p 核时，需要从s o p cb u i l d e r 模 块池中选择设计系统需要的i p 功能模块，双击模块名或按下添加按钮，添加所 选择的i p 模块。添加的模块会出现在模块列表中，此时设计者可以更改模块的 名字。模块添加完成后，用户可以双击模块的那一行，对其进行编译，可以修 改模块内的任何参数。模块添加完后可以通过软件的图形用户界面设置主从端 口连接等选项，并配置模块的开始地址和结束地址、中断优先级等选项，并保 存到所设计系统p t f 文件中。 ( 3 ) 系统生成是在系统的i p 模块配置完成后，编译配置模块，检测错误 并生成以一系列文件如s d k 目录、模拟工程文件等。 2 2 2 s o p c 系统设计流程 采用n o i s l i 处理器的s o p c 系统设计流程通常包含一下步骤“1 ： ( 1 ) 根据项目的设计要求规划整体设计方案。 ( 2 ) 应用o u a r t u s 软件建立一个工程项日，并创建一个顶层图形输入的文 件。 ( 3 ) 在s o p cb u i l d e r 中添加项日需要的功能模块，并设置模块的各项参数， 编译生成项目需要的处理器。 ( 4 ) 在建立的顶层输入文件中选择系统的片外外设和i p 核。 ( 5 ) 根据设计要求连接各个模块，并配置f p g a 的引脚。 ( 6 ) 编译顶层输入文件同时生成f p g a 配置文件，下载配置文件到f p g a 巾。 ( 7 ) 用广应用n i o s l d e 软件编写、调试、编译应用软件。 ( 8 ) 下载用户开发软件到外部存储器中。 2 3 s o p c 系统开发环境 开发设计人员设计s o p c 片上系统般需要用到以卜软件： 第二章s o p c 技术概述 s o p cb u i l d e r ：根据具体设计系统的要求定制合适的处理器内核和外围的控 制模块，编译生成为项目量身定制的n o i si i 处理器核，供q u a r t u si i 软件 使用。 q u a r t u si i ：调用项目定制的处理器核和其它功能模块，完成s o p c 设计硬 件平台的设计，综合、优化、编译设计平台，生成硬件配置文件，并将配置文 件下载打f p g a 或e p c s 中。 n i o si ii d e ：在定制的s o p c 设计平台上编写项目软件，调试并编译项目 软件，将编译的配置软件下到存储器中。 2 4s o p c 系统框架 采用n o i si i 处理器的s o p c 系统主要包含n o i si i 处理器、片内存储器、 片外存储器、片外模块等。n o i si i 处理器通常包含l c d 控制器、u a r t 、s p i 控 制器、s d r a m 控制器、f l a s h 控制器、白定义的外设模块等功能模块。用户可以 根据实际的需要很方便的通过a v a l o n 总线将系统组合起来，形成一个完整、稳 定的系统。s o p cb u i l d e r 根据设置的模块生成处理器核或构建i p 模块，然后 q u a r t u si i 软件调用该处理器核和其它逻辑模块，根据设计要求用导线将它们 连接起来，搭建出s o p c 系统硬件设计平台，然后将编译、综合系统平台，生成 可以下载到f p g a 内部的p d f 网表文件，并将文件下载到f p g a 中，形成系统的 硬件平台。通常s o p c 系统框架包含n i o si i 处理器、a v a l o n 总线、外设模块， 下面重点介绍一下这些模块的功能。 2 4 1nio si ic p u n i o si i 处理器是2 0 0 4 年推出的高性能的3 2 位软核处理器，它为用户提 供3 种不i 一类型的处理器软核旧i ，结构图如图2 1 。所谓软核足指未被固化到芯 片上处理器核，使州时编译软件对软核进行裁剪、定制、编译、生成可下载的 软核下载文件，并将文件下载到可编程芯片的i p 核1 。 6 第二章s o p c 技术概述 图2 1nj o s 处理器的结构图 n i o si i 处理器主要具有以下特点： ( 1 ) 寄存器文件包含3 2 个通用寄存器和6 个控制寄存器 ( 2 ) 通用r i s c 处理器阳1 。 ( 3 ) 三种运行模式。 ( 4 ) 3 2 个外部硬件中断，支持中断嵌套。每个中断对应一个独立的中断通道， 中断优先级南软件设定。 ( 5 ) 灵活的i o 结构和存储器，存储器和外设随不同的系统发生变化。 ( 6 ) 指令总线和数据总线分离的哈佛结构。 ( 7 ) j t a g 调试模块1 。 n o i si i 软核处理器具有设计可剪裁，灵活性强等优点。n i o si i 处理器支 持u c o s i i 、u c l i n u x 等各种操作系统，使用i 分方便。s o p cb u i l d e r 软件 为设计者提供图形化设计环境，设计人员选择和自定义项目需要的模块组件， 将设计项目选择的模块连接起来，编译牛成n i o si i 处理器核。 2 4 2a v aio r 总线 a v a l o n 总线是一种简单的总线，它主要用于片内处理器和片外外设交换数 据。根据总线设备对总线控制权的掌握的情况主要将a v a l o n 总线设备分为主外 设( m a s t e r ) 和从外设( s l a v e ) 两人种类。主外设能够在a v a l o n 总线上主动的 发起总线传输，获得总线的控制权利。从外设被动的响应主外设发起的总线传 输。a v a l o n 总线具有以下特点：具有最大4 g 的地址空间，n o i s i i 处理器拥有 第二章s o p c 技术概述 3 2 位地址数据线，可以寻址该范围的任何地址空间。总线可以自动仲裁连接在 总线上的多个主外设和从外设，大大节省了总线传输时间，提高了总线传输效 率。a v a l o n 总线采用独立的地址总线、数据总线，极大的方便了外设模块的扩 展设计工作。a v a l o n 总线为总线上的主外设和从外设提供如下的功能：数据通 道多路转换、地址译码、等待周期生成、动态地址对齐。 a v a l o n 总线具有三态总线接口，通过总线很方便的将片外外设和处理器连 接在一起旧1 。片外外设通过f p g a 的接口直接连接到a v a l o n 总线接口上，例如 s d r a m 、f l a s h 等器件。a v a l o n 三态总线为片外外设提供片选o u t p u t e n a b l e 信 号，有效的避免了数据总线的竞争。 2 4 3 外设模块 总线外设模块含了外设模块的参数配置、总线接口等相关配置。每个总线 外设模块从功能上有一下几个部分组成： ( 1 ) 外设行为逻辑：完成外设需要完成的逻辑功能； ( 2 ) a v a l o n 总线接口：外设和总线通信的物理接口； ( 3 ) 寄存器：控制外设行为逻辑的寄存器映射； ( 4 ) 软件驱动程序：处理器访问外设的应用程序； 第j 章枪测系统总体设计方案 第三章检测系统总体设计方案 3 1 温度检测网络的设计 3 1 1 单总线技术概述 单总线技术( 1 - - w i r eb u s ) 是近几年新推出的新技术，它将数据线、地址 线、控制线合并为一根双向通信的数据线，也就是说检测丰机( 以下简称丰机) 通过一根检测数据线完成和单总线检测器件( 以下简称从机) 的通信n 7 1 引，主 机可以通过数据线向多个从机写入数据，也可以通过此数据线读取从机的数据。 和其它总线相比，单总线技术具有结构简单、硬件开支少、成本低、便于扩充 和维护、节约处理器的1 0 口资源等优点。 3 1 1 1 硬件结构 因为单总线技术采用一根数据线传输数据，检测主机和多个从机同时连接 到总线上，所以主机和从机采用三态端口或漏极开路输出连接到总线上如图 3 - 1 ，整个单总线连接一个上拉电阻，总线闲置时为高电平堙1 h 2 2 1 ，连接在单总 线上的器件在不占用总线时必须释放总线，允许其它器件使用总线，最终实现 了一根数据完成主机和多个从机相互通信。 k 图3 1 单总线器什硬什接口示意图 9 第i 章 3 1 1 2 命令序列 单总线技术定义了一整套完 是通过单总线严格的协议流程来 单总线器件不会响应主机，通信 1 、初始化 单总线上初始化命令作为通 发送低电平复位脉冲，强制连接 总线控制权，并等待检测从机的应答脉冲，从机得到总线控制权并发送应答脉 冲。如果总线上有分机存在并响应了主机复位脉冲说明从机准备就绪可以继续 下面的通信，如果主机未检测到从机的应答脉冲说明从机不存在，通信结束昭引。 2 、r o m 命令( 以d s l 8 8 2 0 为例) 每个单总线器件都有一个唯一8 个字节的r o m 地址码。主机通过发送r o m 命令选择单总线上确定的从机设备响应后续的功能命令，通过r o m 命令可以依 次操作单总线上所有的检测点。以d s l 8 8 2 0 为例，单总线技术支持以下几种r o m 命令： ( 1 ) 读r o m 命令 主机发送完此命令后，释放总线，读取连接到总线上器件的地址数据( 5 6 位的序列码和8 位的c r c 校验码) ，被检测器件占用总线并发送地址码。但是在 只有单总线上有一个器件使用的情况下主机才能正确的读出器件的地址数据。 如果多个器件同时连接到总线上，同时响应读r o m 命令，都将地址数据发送到 单总线上，将产生总线数据冲突现象。 ( 2 ) 搜索r o m 命令 如果总线上连接多个检测点时，利用读取r o m 命令读取检测点的地址数据 时候就会发生数据冲突现象，无法读取到正确的数据。在此情况下，主机发送 搜索r o m 命令，然后使用“消去”方法可以依次读取检测总线上所有点的地址 码。详细的“消去”的方法可以见d s l 8 2 0 单总线数字温度计说明书。 l o 第j 章检测系统总体设计方案 ( 3 ) 匹配r o m 命令 单总线上连接多个温度检测点时，主机应用匹配r o m 命令指定检测网络中 确定的温度检测点。首先，主机发送匹配r o m 命令。然后，主机发送匹配r o m 地址码，此时总线上地址匹配的器件响应后续的操作命令，地址不匹配的器件 可以视为和总线断开。最后，发送功能命令，只有符合的检测点才能响应此时 的功能命令操作。不符合的检测点，不响应功能命令，等待下一次复位脉冲。 ( 4 ) 跳过r o m 命令 检测主机在一些情况下需要单总线上连接的所有器件同时响应后续的功能 命令，例如：主机发送温度转化命令，如果总线上的器件同时进行温度转换， 大大的节省操作的时间。主机发送完跳过r o m 命令后可以直接发送后续的功能 命令，而不需要提供检测点的地址码，单总线上连接的一个或多个器件同时响 应后续的功能命令。 3 、功能命令( 以d s l 8 8 2 0 为例) 主机发送完r o m 命令后，就选择了特定的一个或多个监测点，然后检测主 机发送功能命令控制选巾的检测点，这些功能命令包含命令温度检测点开始采 集温度、读取温度传感器的检测数据等功能。以d s l 8 8 2 0 为例，功能命令包含 温度转换、读暂存储器、写暂存存储器、复制暂存存储器等。 ( 1 ) 温度转换 检测主机发送了此命令后，温度传感器开始检测温度数据，并将转换的温 度数据保存到读暂存储器中相应的单元中。 ( 2 ) 读暂存存储器 检测主机发送了此命令后，然后检测主机依次读取存储器中的1 0 个字节的 数据，从第0 个字节开始到第9 个字节结束。 、 其它功能命令详见d s l 8 2 0 单总线数字温度计说明书。 3 1 1 3c r c 校验 为了准确无误的传输数据，单总线技术采片j8 位的c r c 校验技术来检验总 第j 章检测系统总体设计方案 线上传输的数据的正确性。第一、检测主机接收数据时，主机接收的c r c 数据 和自身产生的c r c 值进行比较，并决定是否继续后续的检测。如果数值不相符 时，主机终止后续检测。第二、检测主机发送数据时，检测点内部有专门的电 路来检测接收来的数据。如果接收的c r c 校验码和产生的校验码不符合时，检 测温度点不执行该命令。如图3 2 所示，移位寄存器和异或门组成的产生器可 以用来产生c r c 校验码。开始产生c r c 校验码时所有寄存器初始化为0 ，然后 待校验的数据依次移入产生器中，当待校验的数据全部移入产生器后，移位寄 存器的数据便是c r c 的值。 图3 - 2 ：单线c r c 编码 3 1 1 4 网络组网注意事项( 以d s l 8 8 2 0 为例) ( 1 ) 查询相关资料并没有关于单总线标准的描述，很少提到总线的检测半 径、检测总长和总线上监测点的个数。所谓检测半径是指检测主机到最远的从 机器件之间的距离阳1 。检测总长是指检测网络连线的总长度。从理论上讲，单 总线可以挂接无限个温度监测点，但足实际的情况不是如此。在寄生电源的工 作方式下，单个温度点1 8 8 2 0 发生温度转化时，其总线需要提供的工作电流高 达l m a ，普通的采用4 7 k 的上拉电阻很难保证提供足够大的驱动电流，通常采 ， j 加一个m o s f e t 把i o 口拉到电源上帮助提供电流或采用强的上拉电阻，但是 由于充放电和功耗问题，单总线上的d s l 8 8 2 0 个数不能超8 个旧检测半径通常 为4 5 米。如果采用三线制连接方式，能够很好的解决供电电流不足的问题，总 线容量和检测距离有一定得提高，但是如果需要进一步提高总线的容量需要解 决总线驱动问题，通过实验可知总线挂接温度点的数量可以达到3 0 个。 ( 2 ) 单总线采用普通的三芯电缆线，在只有上拉电5 h 的情况下，检测距离 达到4 5 米。通常在电缆信号的传输过程中，检测距离超过5 0 米时，由丁线间 第三章检测系统总体设计方案 分布电容的充放电，传输信号发生畸变，总线传输数据将发生错误，通信失败。 导线分布电容越大或传输频率越高数据在传输的过程中发生畸变越厉害，通信 的距离越短，总线上挂接的监测点的数目越少。电缆的电容主要由两根平行导 线引起的，如果总线采用屏蔽双绞电缆线，可以有效的大大降低电缆的分布电 容，每米绞合次数越多，分布电容越小，信号畸变越小，检测半径可达1 5 0 米 啼1 。通过查询资料，有砦论文提到卜w i r e 总线网络的半径可以达到7 5 0 米拍1 ， 本人实现的单总线的检测半径可以达到1 2 0 米。因此，用d s l 8 8 2 0 器件构建远 距离大容量的温度检测网络时，设计人员应充分考虑分布电容、电缆阻抗匹配 问题，选用合适的通信电缆。实际应用t 程中，建议采用4 芯屏蔽双绞电缆， 地线和电源线双绞、信号线和地线双绞，屏蔽线单端接地。这样大大降低电缆 的分布电容，提高检测距离。 3 1 2 温度传感器器件d s l 8 8 2 0 简介 设计人员应用具有单总线接口的温度传感器d s l 8 8 2 0 器件可以很容易的构 建分布式温度检测网络。温度传感器d s l 8 8 2 0 工作电压为3 3 5 5 v ，测量温度 范围为一5 5 。c - - + 1 2 5 。c 。每个d s l 8 8 2 0 内部都有一个唯一的6 4 位地址码，设计人 员在对d s l 8 8 2 0 操作前必须对r o m 进行操作。每个d s l 8 8 2 0 提供读r o m 操作 ( 3 3 h ) 、匹配r o m 操作( 5 5 h ) 、搜索r o m 操作( f o h ) 、跳过r o m 操作( c c h ) 等r o m 命令，提供温度转化( 4 4 h ) 、读暂存存储器( b e h ) 等存储器命令。温度转化命 令用于命令检测温度点开始温度转换，并将转化后的温度数据保存到暂存存储 器的确定的位置中。读暂存存储器命令用于读取读暂存存储器内的数据。暂存 存储器示意图如图3 3 ： t e m p e r a t u r ei 。s b t e m p e r a turem s b t h u s e r b v t e l t l u s e r b y t e 2 c o n f i g r e s e r v e d r e s e r v e d r e s m r e d c r c 图3 3 ：暂存存储器示意图 第三章检测系统总体设计方案 t e m p e r a t u r el s b ：保存检测温度数据的低字节 t e m p e r a t u r em s b ：保存检测温度数据的高字节 t h u s e r b y t e l ：用户设置的报警温度数据的高字节 t l u s e r b y t e 2 ：用户设置的报警温度数据的低字节 c o n f i g ：配置寄存器 r e s e r v e d ：保留的寄存器，供以后器件升级应用。 c r c ：为。至, j 7 的8 个寄存器产生的8 位校验码 d s l 8 8 2 0 的c r c 等效多项式函数c r c = x 8 + x 5 + ) ( 4 + 1 温度寄存器的数据和实际的温度数据的对应关系如图3 - 4 。 燃r m s b 单位：摄氏度 温度进制f 八进制 + 1 2 5 0 c0 0 0 00 1 1 1 1 1 0 l0 0 0 00 7 d o h + 1 0 1 2 5 0 c0 0 0 0 0 0 0 01 0 1 00 0 1 0o o a 2 h 一1 0 1 2 5 ”cl llll l1 10 1 0 11 11 0f f 5 e h 一5 5 0 c l ll l1 1 0 0 1 0 0 10 0 0 0f c 9 0 h 图3 4 ：温度寄存器的数据和实际的温度数据的对应关系 3 1 3m i c r o l a n 耦合器d s 2 4 0 9 简介 d s 2 4 0 9 是d a l l a s 公司生产的微局域网耦合器，具有卜w i r ei n 、m a i n1 - w i r e o u t ( 主总线输出) 、a u x i l i a r y 卜w i r eo u t ( 辅总线输出) 、c o n t r o lo u t p u t 等 引脚。1 - w i r ei n 连接到主控处理器的i o 引脚上，主控处理器通过此引脚控制 d s 2 4 0 9 输出的主、辅总线是否与卜w i r e 总线的连接，用于添加或去除分支检 测网络：c o n t r o lo u t p u t 引脚连接到l e d 指示灯，用来指示分支网络的工作情 况。d s 2 4 0 9 提供读r o m 操作( 3 3 h ) 、匹配r o m 操作( 5 5 h ) 、搜索r o m 操作( f o h ) 、 跳过r o m 操作( c c h ) 等r o m 操作命令。d s 2 4 0 9 还提供以下存储器命令：状态读 写( 5 a h ) 、主辅线掉线( 6 6 h ) 。智能主线上线( c c h ) 、智能辅线上线( 3 3 h ) 。 1 4 第_ 一章榆测系统总体设计方案 d s 2 4 0 9 内部包含一个6 4 位的r o m 码，主、辅总线输出是开路输出，外部需要2 2 k 的上拉电阻。 利用单总线的d s l 8 8 2 0 器件组成温度检测网路时，当连接的d s l 8 8 2 0 的数 量很大，检测距离很远时，总线电容和空闲电流很大，严重影响检测距离和检 测网络卜温度点的数量。设计人员选用d s 2 4 0 9 作为开关控制器件，将检测网络 分为多段，系统工作时去除其它暂时不用的网络分支，可以大大提高检测网络 的负载能力和检测距离。d s 2 4 0 9 组成微局域网如图3 5 。 图3 5 ：d s 2 4 0 9 组成微局域网 3 1 4 检测系统检测网络结构图 系统检测网路采用一线式网络，所谓一线式网络是多个具有单总线接口的 器件通过一根检测电缆和丰控单元连接在一起构成的网络。网络半径、网络总 长是一线式网络两个重要的指标。负载的多少、电缆的性能、检测主机接口驱 动电路、外部环境和网络反射波的干扰将直接影响网络检测半径的距离。每一 个负载可以等效一段长度的检测网络。每个温度点传感器d s l 8 8 2 0 等效于0 5 米的检测网络怕1 。电缆阻抗匹配、充放电时问也都影响检测网络半径。检测网 络要求电缆很快的充放电来保证通信的顺利、正确的完成，一般采用1 k 的上拉 电阻或摆率控制驱动电路，为检测总线提供足