（通信与信息系统专业论文）基于nrf24e1的数据采集及无线传输系统的研究.pdf

摘要 摘要 在现代生产生活中，环境条件中的温度指标是许多场合的重要参数。在许多场 合都需要对温度参数进行监测，以做出相应处理，使设备和系统运行在最佳状态。 因此，研制可靠且实用的温度监测系统意义非常重大。随着无线传输技术的迅速发 展，短距离无线通信技术被越来越多的应用到各种不适合布线的场合，给人们带来 了极大的便利。基于此，本文提出以n r f 2 4 e 1 射频芯片为核心，构建无线温度数据 采集系统，并对该无线传输系统进行了深入研究。通过本系统，可以方便迅速地采 集到距接收端3 0 m 内任意位置的温度数据，可适用多种场合的应用。 本研究以射频收发芯片n r f 2 4 e 1 为核心，以模块化设计为指导思想，构建无线 数据采集系统。该系统由采集模块和无线传输模块两部分组成。数据采集模块以数 字式温度传感器d s l 8 8 2 0 检测温度数据，然后将检测到的数据经简单处理后通过 n r f 2 4 e 1 射频模块发送出去。通过对所选温度传感器d s l 8 8 2 0 和m c u 等电子元器 件的结构分析，以及各元器件的电气特性要求，结合p c b 设计原则和各种经验，设 计出合理的采集端硬件电路，并编制相应软件进行控制。同样，无线传输模块通过 n r f 2 4 e 1 芯片收发数据并进行处理。由于n r f 2 4 e 1 是一种集成有m c u 的射频芯片， 所以它具备数据处理、射频收发、自动c r c 校验等功能。n r f 2 4 e 1 芯片集成度高， 所需外围元件少，所以硬件电路设计相对简单。围绕无线传输模块编制的相应软件 和采集模块软件相互配合，共同管理整个系统的正常运行。无线传输的接收端设计 有m a x 2 3 2 接口，可通过r s 2 3 2 直接将采集到的数据送p c 机显示或存储，也可通 过n r f 2 4 e 1 自带的s p i 接口将采集数据传送到a r m 7 芯片上，进行协议转换后送入 以太网，以实现远程监控。 通过试验和调试证实，该数据采集系统满足短距离无线通信要求，采集数据速 度快，结果准确可靠。这样一个高速、方便的数据采集和传输系统在现代工业和科 研领域具有普遍的应用价值。 关键词温度传感器；数据采集；n r f 2 4 e 1 ；射频芯片；无线传输 a b s t r a c t i nm o d e r np r o d u c t i o na n dl i f e ，t e m p e r a t u r ei s a ni m p o r t a n t p a r a m e t e ri nm a n y o c c a s i o n s i nm a n yp l a c e s ，i ti s n e c e s s a r yt om o n i t o rt h et e m p e r a t u r ep a r a m e t e ra n d m a k i n gr e l e v a n tp r o c e s s i n gs ot h a tt h es y s t e mr u n si nt h eb e s ts t a t e t h e r e f o r e i ti s s i g n i f i c a n tt od e v e l o par e l i a b l ea n dp r a c t i c a lt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , s h o r t r a n g ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt om a n yp l a c e sw h e r ew i r i n gi sn o ta v a i l a b l e ，o f f e r i n g g r e a tc o n v e n i e n c e sf o rp e o p l e f o rt h i sr e a s o n ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h a tt h ew i r e l e s s t e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sb u i l tw i t ht h er ft r a n s c e i v e rc h i p ( n r f 2 4 e 11a st h e c o r e w em a k ea ni n t e n s i v es t u d yo fw i r e l e s s a n dr a p i dt o a c q u i r et h et e m p e r a t u r ed a t a a p p l i c a b l ef o rl o t so fo c c a s i o n s t r a n s m i s s i o n b yt h i ss y s t e m ，i ti sc o n v e n i e n t i na n yp o s i t i o nw i t h i nt h e3 0m e t e r s i ti s i nt h i s s t u d y , w i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sb u i l tw i t hr ft r a n s c e i v e r c h i p ( n r f 2 4 e 1 ) a st h ec o r e ，a n di t sg u i d i n gi d e o l o g yi sm o d u l a r i z a t i o n t h es y s t e mi s c o n s i s t so fc o l l e c t i o nm o d u l ea n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e t h ed a t a a c q u i s i t i o n m o d u l ed e t e c t e d t e m p e r a t u r ed a t aw i t hd i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rd s1 8 8 2 0 ，t h e nt h e s i m p l yp r o c e s s e dd a t ai ss e n to u tb yt h er ft r a n s c e i v e rc h i p ( n r f 2 4 e 1 ) b ya n a l y s i n go n s t r u c t u r eo ft h et e m p e r a t u r es e n s o r ( d s 1 8 8 2 0 ) a n dt h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t ( m c u ) ， e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa l lt h ec o m p o n e n t sa n dd e s i g np r i n c i p l e so fp c b ，ar e a s o n a b l e a c q u i s i t i o np o i n t e rh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e da n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls o f t w a r ei s c o m p i l e d s i m i l a r l y , w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l es e n t ，r e c e i v e da n dp r o c e s s e dd a t ab v t h en r f 2 4 e 1c h i p b e c a u s et h en r f 2 4 e 1r fc h i pi s i n t e g r a t e do fm c u ，t h e r e f o r e n r f 2 4 e 1c h i ph a v ef u n c t i o n so fd a t a p r o c e s s i n g ，r ft r a n s c e i v i n g ，a u t o m a t i cc r c c h e c k i n ga n ds oo n b e c a u s eo fh i g hi n t e g r i t yf e wp e r i p h e r a ld e v i c e s ，t h ec i r c u i td e s i g no f h a r d w a r ei sr e l a t i v e l ye a s y t h es o f t w a r e sc o m p i l e df o rw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l ea n d a c q u i s i t i o nm o d u l ea r ec o o p e r a t e dt om a k et h ee n t i r es y s t e mr u nn o r m a l l y t h er e c e i v e ro f w i r e l e s st r a n s m i s s i o nh a v em a x 2 3 2 i n t e r f a c e ，t h ed a t ac o l l e c t e di ss e n td i r e c t l yt op cb v r s 2 3 2i n t e r f a c et od i s p l a yo rs t o r e t h ed a t ac a na l s ob es e n tt oa r m 7 c h i p st h r o u g hs p i i n t e r f a c eo fn r f 2 4 e 1 ，a n dt h e n ，i ti ss e n tt ot h ee t h e r n e ta f t e rp r o t o c o lc o n v e r s i o ni no r d e r t or e a l i z et h er e m o t ec o n t r 0 1 b yt e s t i n ga n dd e b u g g i n g ，i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sw i t ht h ed a t aa c q u i s i t i o nr a p i d 1 1 a b s t r a c t a c c u r a t ea n dr e l i a b l e s u c har a p i da n dc o n v e n i e n td a t a a c q u i s i t i o n a n dw i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e mc a l lb ew i d e l ya p p l i e di nm o d e m i n d u s t r ya n d r e s e a r c hf i e l d s k e y w o r d s t e m p e r a t u r es e n s o r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；n r f 2 4 e 1 ；r a d i of r e q u e n c yc h i p ； w i r e l e s st r a n s m i s s i o n 1 1 1 ；- - j j t 科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。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。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 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者繇调椅 指导教9 币繇 沙f 年月召日 歪彳否 p 7 年6 月驴日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并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 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 啉保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：孤赜 指导教0 币签名： w 7 年6 月罗日 叩年舌月驴曰 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 在现代生产生活中，环境条件中的温度指标是许多场合的重要参数。在仓储管 理、智能化建筑、气象、环保、生物制药、食品加工、蔬菜大棚、花卉温室、医疗 病房等诸多领域都需要对温度参数进行监测，以做出相应处理，确保设备和系统运 行在最佳状态。因此，研制可靠且实用的温度监测系统显得非常重要。 随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的 进步，其应用领域越来越广泛。传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转 变为电信号，使得人们可以利用微型芯片实现自动测量、信息处理和自动控制等功 能。目前检测温度参数，通常采用有线网络来实现。这样做虽然实现了温度数据的 自动测量和处理，却具有布线麻烦、设备可移动性不强等缺点。如当导线过长或者 布线复杂时会产生大量干扰，对我们的温度采集系统的准确性和稳定性构成极大威 胁，尤其是采集点多或者是不允许布线的场合，迫切需要一种新的采集方案来解决 这种问题。 随着无线技术的快速发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速率也 越来越快，并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平，让我们彻底摆脱了各种线 路的束缚。短距离无线数据传输是一种线缆替代技术，凡是布线繁杂或不允许布线 的场合，都可以通过无线通信来满足需求。在短距离无线通信系统中，射频技术因 功耗低和无方向性等优点而受到青睐。通信频率为2 4 g h z 的频段是全球开放的 i s m ( - v 业、科学和医学1 频段，使用者无需申请许可证，给开发者和用户带来了很大 方便；同时，可以有效地避免低频段信号、各类电火花及家用电器的干扰【n 。本研究 中使用的射频收发芯片n r f 2 4 e 1 ，不但具有以上优点，还满足低成本、低功耗、能 够快速开发应用等方面的要求【2 】。以n r f 2 4 e 1 芯片为核心制作的短距离无线收发系 统具有模块体积小、工作稳定性良好等优点，能够方便地嵌入其他设备中，在工业 生产、农业生产、医疗监护、实验研究和日常生活等方面得到广泛的应用。 1 2 课题研究内容及意义 环境条件中的温度指标是许多场合的重要参数，研制可靠且实用的温度监测系 统显得非常重要。通常，采用有线网络实现温度监测，具有布线麻烦、设备可移动 性不强等缺点。随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越 容易，数据传输速率也越来越快，并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。本 文提出的基于n r f 2 4 e 1 技术的无线温度采集的方案，不必铺设电缆，可以节省费用 河北科技大学硕士学位论文 和时间。而且，改变测量位置和增减采集点数目都非常方便。 本研究将系统分为数据采集模块和无线传输模块两部分，并分别设计出数据采 集模块硬件电路和无线传输模块硬件电路。采集端，利用数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 进行温度数据的采集，然后通过n r f 2 4 e 1 射频芯片无线发送采集到的温度数据。接 收端采用同样的无线技术接收采集端传送过来的数据并进行处理。接收端可将接收 到的温度数据经m a x 2 3 2 电平转换后通过r s 2 3 2 接口传送给p c 机，进行显示，也 可通过n r f 2 4 e 1 自带的s p i 接口将其传送到a r m 7 芯片，进行协议转换后接入以太 网，通过以太网传送到远程监控端。本系统具有可移动性强、稳定可靠、可维护性 好等特点。 本文的主要研究工作集中在无线传输系统的研究上，通过c 语言编程对该无线 传输系统进行控制，对有效距离内的数据收发进行了实验测试，并对通信可靠性和 多点温度数据采集方法进行了理论探讨。本研究以对温室中的温度数据进行采集为 实例进行说明。这样一个高速、方便、稳定的数据采集和传输系统在现代工业和科 研领域也具有普遍的应用价值。 1 3 系统数据采集及传输要求 本系统以温室中的温度数据为研究对象。温室作为农业生产的“工厂 在农业 现代化发展中扮演着重要角色，其控制系统的精确性决定着农作物的产量和质量， 而温度的测量又是温室控制系统精确运行的关键，所以，设计一种高效、准确的温 度测量系统是改善温室控制系统性能的前提条件。本系统应用于采集温室内的温度 参数，所选传感器要满足以上功能，为温室控制系统精确运行提供基本依据。因此 本设计要求满足以下几个要求： 1 ) 温度信号的测量范围在0 1 0 0 ，测量精度为1 ，考虑到电源电压为3 v ， 应选用支持3 v 电压的传感器。 2 ) 由- - 7 ：采集点在封闭式温室内，而接收处理端在温室外，相对位置不固定，这就 要求设备具有较强的灵活性，通信位置不受限制，无线通信距离要求达到3 0 m 左右。 3 ) 由于数据采用无线传输，数据在传输过程中干扰因素较多，为确保数据的正确 传输，要求设备具有较强的抗干扰能力。 4 ) 接收处理端要能快速处理数据，并及时的显示温室内的温度数值，使设备具有 实时性。 5 1 采用电池供电，因此所有器件尽可能选用低功耗芯片，并且使之工作在节电模 式。 根据数据采集和无线传输的要求，本系统的硬件设计包括数据采集、无线传输、 数据处理、s p i 接口及软件编程等几部分。其原理框图如图1 - 1 所示。 第1 章绪论 i 7 三圈： i 口三甲l = 圆l接收端l 一i 图1 - 1 系统原理框图 f i g 1 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es y s t e m 1 4 本文主要工作和内容编排 本文的主要工作包括温度参数采集和无线传输系统两部分。 温度数据自动采集部分：包括选择适合的传感器，设计相应的硬件电路，选择 合适的控制芯片，并编制相应的控制程序。 无线传输系统部分：选择合适的无线传输技术及相应的无线模块、接收端与p c 机通信的接口、接收端与a r m 7 芯片连接的接口，并编制相应的控制程序及传输协 议来实现无线传输以及接收端与p c 机和a r m 7 芯片的通信。 最后需要对整个系统进行调试，实现从数据采集、处理、显示到数据传输、处 理、存储、等一系列基本功能。 论文具体从以下几个方面进行阐述： 第1 章：绪论。本章主要介绍本研究的主要背景，国内外研究现状，分析并提 出了本文所设计的无线传输系统的价值和意义。 第2 章：温度数据采集的实现。本章主要介绍数据采集端各个模块的选型、电 路连接及相应的软件编程。 第3 章：无线传输系统设计与实现。本章简要介绍了所选用的n r f 2 4 e 1 芯片所 具有的技术特点，然后介绍本文的具体实现电路设计、相应软件编程及传输协议。 第4 章：实验与调试。本章主要介绍整个系统的调试方法与实验技术。 最后，总结与展望。概述全文所作的工作，对全文内容进行总结，分析系统应 用前景，并提出系统可改进的方向。 3 河北科技大学硕士学位论文 第2 章温度数据采集的实现 本系统的硬件结构可分为两部分：数据采集部分与无线传输部分；从功能模块 结构上可分为：数据采集模块、无线数据传输模块、电源模块和功能软件模块。系 统的总体设计是按照模块化思想实现的，采用模块化原理可以使系统结构清晰，不 仅容易设计也容易管理和修改，使系统容易测试和调试，有助于提高系统的可靠性 和可修改性，同时，模块化也有助于系统开发的组织管理 数据采集端主要由传感器和m c u 两种器件组成。传感器是实现测量与控制的首 要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的 捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和 控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系 统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。本系统中采集点所使用 的传感器，同时具有温度测量和a d 转换功能，直接输出数字信号，测量高效、准 确。m c u 是射频芯片n r f 2 4 e 1 集成的增强型5 1 芯片【3 】，对采集到的数据按照上位 机指示进行加工处理，再通过射频芯片发送出去。 采集端的主要功能是：采集所用传感器检测到的温度信号，经m c u 进行数据处 理后通过无线方式发送至接收端。本章主要介绍数据采集部分的设计与实现，关于 数据无线传输部分将在下章介绍。数据采集端的原理框图如图2 - 1 所示。 r - 。- _ _ _ i - - 。1 l 采集端 i l 一一一一一一一一一j 图2 1 采集端原理图 f i g 2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ea c q u i s i t i o np o r t 2 1 传感器选型 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传 感器是最早开发，应用最广的一类传感器，且其市场份额大大超过了其他的传感器。 从1 7 世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发 4 第2 章温度数据采集的实现 了半导体热电偶传感器、p n 结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与 物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器【7 】。 温度传感器种类繁多，性能多样，满足了各种不同场合的需要。我们这里使用 的温度传感器测量范围要求在0 5 0 ，精度在0 5 1 之间均可。另外由于所选芯片 i o 口资源有限，要求传感器数据线尽可能少，采集到的数据模拟或数字均可。基于 以上考虑，依据适用性原则，我们选取d a l l a s 公司生产的数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 。 该传感器完全能满足我们的要求，且价格便宜，灵活易用。 2 1 1d s l 8 8 2 0 特性 温度传感器d s l 8 8 2 0 采用“单总线”接口技术，节省了单片机的i o 口资源， 且具有体积小，价格低，灵活型好等优点1 4 1 。d s l 8 8 2 0 的温度测量范围是5 5 1 2 5 ， 测量精度为0 5 ；支持3 5 5 v 的电压范围，可以用程序设定为9 1 2 位的分辨率， 精度分别为为4 - 0 5 、0 2 5 、- 4 - 0 1 2 5 、o 0 6 2 5 ，用户设定的报警温度存 储在e e p r o m 中，掉电后依然保存；无需外部元件。d s l 8 8 2 0 引脚如图2 2 。 图2 2d s l 8 8 2 0 引脚图 f i g 2 2 d s l 8 8 2 0p i na s s i g n m e n t “单总线”特征： 1 ) 独特的电源和信号复合在一起； 2 ) 仅使用一个接口引脚即可通信； 3 1 每个芯片唯一编码，支持联网寻址； 4 1 简单的网络化的温度感知； 5 ) 零功耗待机。 5 出 输入 图 输 觎 肌黜姗蝴 嘲肋q o 口 炼 o o 扣bo z o 啪d 河北科技大学硕士学位论文 2 1 2d s l 8 8 2 0 结构 图2 3 示出了d s l 8 8 2 0 的主要部件。d s l 8 8 2 0 有三个主要数字部件：6 4 位激 光r o m ，温度传感器，非易失性温度报警触发器t h 和t l 。器件用如下方式从 单总线上汲取能量：在信号处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处 于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再次给寄生电源( 电容) 充电。 d s l 8 8 2 0 也可用外部5 v 电源供电。 - l 存储嚣和控制逻辑 ： 古 】l 6 4 位r o m ，j j 泔隆住成霉 血j j 乇i 霉墨 写i 内部v d d 和单线揍口 暂存嚣| j 上限触发t h h | 一 专 ： - r 下限触发t l 电源 8 位c r c 检测 产生嚣 图2 3d s l 8 8 2 0 结构图 f i g 2 3 d s l 8 8 2 0b l o c kd i a g r a m d s l 8 8 2 0 依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立r o m 操作 协议，才能进行存储器和控制器操作。因此，控制器必须首先提供下面5 个r o m 操 作命令之一：读r o m ，匹配r o m ，搜索r o m ，跳过r o m ，报警搜索。 这些命令对每个器件的激光r o m 部分进行操作，在单总线上挂有多个器件时，可以 区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成 功执行完一条r o m 操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6 条存储器和控制操作指令中的任一条。一条控制操作命令指示d s l 8 8 2 0 完成一次温 度测量。测量结果放在d s l 8 8 2 0 的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命 令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器t h 和t l 各由一个e e p r o m 字节构 成1 5 】。如果没有对d s l 8 8 2 0 使用报警搜索命令，这些寄存器可以作为一般用途的用 户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对t h 和t l 进行写入，对这些寄存器的 读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。 2 1 2 1 寄生电源 寄生电源的方框图见图2 4 。这个电路会在i 0 或v d d 引脚处于高电平时“偷” 能量。当有特定的时间和电压需求时，i o 要提供足够的能量。寄生电源有两个好处： 进行远距离测温时，无需本地电源，可以在没有常规电源的条件下读r o m 。 6 第2 章温度数据采集的实现 要想使d s l 8 8 2 0 能够进行精确的温度转换，i o 线必须在转换期间保证供电。 由于d s l 8 8 2 0 的工作电流达到l m a ，所以仅靠5 k 上拉电阻提供电源是不行的，当 几只d s l 8 8 2 0 挂在同一根i o 线上并同时想进行温度转换时，这个问题变得更加尖 锐。 有两种方法能够使d s l 8 8 2 0 在动态转换周期中获得足够的电流供应。第一种方 法：当进行温度转换或拷贝到e e p r o m 存储器操作时，给i o 线提供一个强上拉。 用m o s f e t 把i o 线直接拉到电源上就可以实现，见图2 4 。在发出任何涉及拷贝到 e e p r o m 存储器或启动温度转换的协议之后，必须在1 0 u s 内把i o 线转换到强上拉。 使用寄生电源方式时，v d d 必须接地。 图2 4d s l 8 8 2 0 温度转换期间的强上拉供电 f i g 2 - 4s t r o n gp u l l u pf o rs u p p l y i n gd s l 8 8 2 0d u r i n gt e m p e r a t u r ec o n v e r s i o n 另一种给d s l 8 8 2 0 供电的方法是从v d d 引脚接入一个外部电源，见图2 5 。这 样做的好处是i o 线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持 高电平。这样在转换期间可以允许在单总线上进行其他数据往来。另外在单总线上 可以挂任意多片d s l 8 8 2 0 ，而且如果它们都使用外部电源的话，就可以先发一个s k i p r o m 命令，再接一个c o n v e r tt 命令，让它们同时进行温度转换。注意当加上外部 电源时，g n d 引脚不能悬空。本研究中使用的正是这种供电方式。 图2 - 5d s l 8 8 2 0 温度转换期间用v d d 供电 f i g 2 - 5u s i n gv d dt os u p p l yt e m p e r a t u r ec o n v e r s i o ne u r r e l l t 7， 萁他单线器伴 外部+ 5 y 电源 河北科技大学硕士学位论文 2 1 2 2测温操作 d s l 8 8 2 0 通过一种片上温度测量技术来测量温度。图2 6 示出了温度测量电路 的方框图。 图2 6 温度测量电路的方框图 f i g 2 6 b l o c kd i a g r a mo fm c a s i l t ct e m p e r a t u r ec i r c u i t d s l 8 8 2 0 是这样测温的：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计 数器在这个周期内对一个低温系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器 被预置到对应于5 5 的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0 ，则温度寄存器( 同 样被预置到s s c ) 的值增加，表明所侧温度大于5 5 c 。 同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加 器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0 ，如果门周 期仍未结束，将重复这过程。 斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨 率。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的【6 】。因此，要想 获得所需的分辨率，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。 当分辨率设置为9 位时，d s l 8 8 2 0 内部对此计算的结果可提供0 5 c 的精度。 温度以1 6 b i t 带符号位扩展的二进制补码形式读出，表2 1 给出了温度值和输出数据 的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。此时，d s l 8 8 2 0 测温范围一5 5 一+ 1 2 5 ， 以o 5 递增。如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。 注意，在d s l 8 8 2 0 中，温度是以1 2 l s b ( 最低有效位) 形式表示时，产生以 下9 位格式： 8 第2 章温度数据采集的实现 l s b 嘬低有效位) 最高有效位( 符号) 被复制到存储器内两字节的温度寄存器中较高m s b 的所有位，这 种“符号扩展”产生了如表2 - 1 所示的1 6 位温度读数。 表2 - 1 温度数据关系 t a b 2 1 t e m p e r a t u r e d a t ar e l a t i o n s h i p s 温度 数据输出( 二进制)数据输t p , ( 4 六进制) + 1 2 50 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 0 1 0 0 0 f a + 2 5 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 1 0 0 0 3 2 + 0 50 0 0 0 0 0 0 00 0 i d 0 o 0 0 1 o 0 0 1 o0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0o o o o o 51 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1f f f f 2 51 1 1 1 1 1 1 11 1 0 0 1 1 1 0f f c e 5 51 1 1 1 1 1 1 1l 0 0 1 0 0 1 0f l 田2 采用下述方法我们可以获得更高的分辨率。首先，读温度，并从读得的值截去 0 5 位( 最低有效位) 。这个值便是t e m pr e a d 。然后可以读留在计数器内的值。 此值是门周期停止之后计数剩余( c o u n tr e m a i n ) 。所需的最后一个数值是在该 温度处每一摄氏度的计数个数( c o u n tp e rc ) 。于是，我们可以使用下式计算实 际温度【5 ： t e m p ra = 兀y r e ( 温度) ：t e m pr e a d 0 2 5 + 竖竺里墨坠竺型型望翌竺坠 c o u 汛，e r c 2 1 2 3 报警搜索操作 d s l 8 8 2 0 完成一次温度转换后，就拿温度值和存储在t h 和t l 中的值进行比较。 因为这些寄存器是8 位的，所以o 5 位被忽略不计。t h 或t l 的最高有效位直接对 应1 6 位温度寄存器的符号位。如果测得的温度高于t h 或低于t l ，器件内部就会置 位一个报警标识。每进行一次测温就对这个标识进行一次更新。当报警标识置位时， d s l 8 8 2 0 会对报警搜索命令有反应。这样就允许多个d s l 8 8 2 0 并联在一起同时测温， 如果某个地方的温度超过了限定值，报警的器件就会被立即识别出来并读取，而不 用读未报警的器件。 2 1 2 46 4 位( 激) 光刻r o m 每只d s l 8 8 2 0 都有一个唯一的长达6 4 位的编码。最前面8 位是单总线系列编 码( d s l 8 8 2 0 的编码是2 8 h ) 。紧接着的4 8 位是一个唯一的序列号。以第5 6 位为首的 q 位 鹏一一。一一台一 河北科技大学硕士学位论文 最后8 位是c r c 码( 见图2 7 ) 。6 4 位r o m 和r o m 操作控制部分允许d s l 8 8 2 0 作为一个单线器件工作并遵循“单总线系统”一节中所详述的单线协议。只有建立 了r o m 操作协议，才能对d s l 8 8 2 0 进行控制操作。这个协议用r o m 操作协议流 程图来描述。单线总线控制器必须首先提供5 个r o m 操作命令之一：读r o m ， 匹配r o m ，搜索r o m ，跳过r o m ，告警搜索。成功进行一次r o m 操作 后，就可以对d s l 8 8 2 0 进行特定的操作，总线控制器可以发出六个存储器和控制操 作命令中的任一个。 l 8 位c r c 码4 8 位序列号 8 位产品系列编码( 2 8 h ) l m s b l s bm s b l s bi i s b l s b 图2 76 4 位激光r o m f i g 2 7 6 4 - b i tl a s e r e dr o m 2 1 2 5c r c 发生器 d s l 8 8 2 0 中有8 位c r c 存储在6 4 位r o m 的最高有效字节中。总线上的主机 可以根据6 4 位r o m 的前5 6 位计算机c r c 的值并把它与存贮在d s l 8 2 0 内的值进行 比较以决定r o m 的数据是否已被主机正确地接收。c r c 计算等式如下： c r c = x 8 + x 5 + x 4 + 1 d s l 8 8 2 0 同样用上面的公式产生一个8 位c r c 值，并把这个值提供给总线控制 器用来校验传输的数据。在任何使用c r c 进行数据传输校验的情况下，总线控制器 必须用上面的公式计算出一个c r c 值，和存储在d s l 8 8 2 0 的6 4 位r o m 中的c r c 值或d s l 8 8 2 0 内部计算出的c r c 值( 当读暂存器时，作为第9 个字节被读出来) 进行比较。c r c 值的比较以及是否进行下一步操作完全由总线控制器决定。当在 d s l 8 8 2 0 中存储的或由其计算的c r c 值和总线控制器计算的值不相符时，d s l 8 8 2 0 内部并没有一个电路来阻止命令序列的继续执行。 单线c r c 可以用一个由移位寄存器和x o r 门构成的多项式发生器来产生，见 图2 8 。 输入 图2 - 8 单线c r c 编码 f i g 2 8 1 - w i r ec r cc o d e 移位寄存器的所有位被初始化为0 。然后从产品系列编码的最低有效位开始，每 次移入一位。当产品系列编码的8 位移入以后，接着移入序列号。在序列号的第4 8 1 0 第2 章温度数据采集的实现 位进入之后，移位寄存器便包含了c r c 值。移走c r c 的8 位会使移位寄存器返回 至全0 。 2 1 2 6 存储器 d s l 8 8 2 0 的存储器如图2 - 9 所示那样被组织【7 1 。存储器由一个高速暂存( 便笺 式) r a m 和一个非易失性电可擦除( e 2 ) r a m 组成，后者存储高温度和低温度和触发 器t h 和t l 。暂存存储器有助于在单线通信时确保数据的完整性。数据首先写入暂 存存储器，在那里它可以被读回。当数据被校验之后，用一个拷贝暂存存储器命令 把数据传送到非易失性( e 7 ) r a m 。这一过程确保了更改存储器时数据的完整性。 暂存器的结构为8 个字节的存储器。头两个字节包含测得的温度信息。第三和 第四字节是t h 和t l 的拷贝，是易失性的，每次上电复位时被刷新。第五字节是配 置寄存器数据的拷贝，每次电源复位后都会恢复。下面三个字节没有使用，但是在 读回数据时，它们全部表现为逻辑1 。 还有一个第九字节，可以用读暂存器命令读出。这个字节是以上八个字节的c r c 码。c r c 的执行方式如“c r c 发生器”部分所述。 暂存嚣宰节 温度l s b 温度m s b t h 用户字节1 t l 用户字节2 配置字节 预留 预留 预留 图2 - 9d s l 8 8 2 0 存储器映像图 f i g 2 9d s l8 8 2 0m e m o r ym a p ( 1 ) 配置寄存器 暂存存储器的第五字节是配置寄存器。它包含设备用以决定温度数字化转换分 辨率的信息，这些位被示于图2 1 0 ： 写入时o 4 位忽略，而读取时一直被读作1 ； 写入时第7 位忽略，而读取时一直被读作o 。 r 0 ，r 1 ：温度计分辨率位，下表示出了据此两位设置决定的温度计数字转换时 的分辨率，如a c 电气特性中描述的那样，这是转换分辨率和转换时间的直接折中。 1 1 河北科技大学硕士学位论文 m s bl s b 图2 1 0d s l 8 8 2 0 配置寄存器 f i g 2 1 0 d s l 8 8 2 0c o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r 厂家对该e e p r o m 的默认值是r 0 = i 、r l = l ( 1 2 位转换) 。 表2 2 温度计分辨率配置 t a b 2 - 2t h e r m o m e t e rr e s o l u t i o nc o n f i g u r a t i o n r 1r o转换分辨率最大转换时间 0o9 位9 3 7 5 m s 011 0 位1 8 7 5i l l s 101 1 位3 7 5 麟 111 2 位7 5 0 麟 2 1 3 单总线系统 单总线是一种具有一个总线主机和一个或若干个从机( 从属器件) 的系统。d s l 8 2 0 起从机的作用。这种总线系统的讨论分为三个部分：硬件接法，处理顺序，以及单 线信号( 信号类型与定时) 。 2 1 3 1 硬件接法 单总线只有一条定义的信号线；重要的是每一个挂在总线上的器件都能在适当 的时间驱动它。为此每一个总线上的器件都必须是漏极开路或三态输出。d s l 8 2 0 的 单总线端口例o 引脚) 是漏极开路式的，内部等效电路见图2 1 1 。一个多点总线由一 个单线总线和多个挂于其上的从机构成。单线总线需要一个约5 k q 的上拉电阻。 + 5 v 图2 1 1 单总线硬件结构 f i g 2 - 1 1 h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n 1 2 第2 章温度数据采集的实现 单线总线的空闲状态是高电平。无论任何理由需要暂停某一执行过程时，如果 还想恢复执行的话，总线必必须停留在空闲状态。在恢复期间，如果单线总线处于 非活动( 高电平) 状态，位与位间的恢复时间可以无限长。如果总线停留在低电平超过 4 8 0l as ，总线上的所有器件都将被复位。 存在脉冲( p r e s e n c ep u l s e ) 使总线主机知道d s l 8 2 0 在总线上并已准备好工作。 2 1 3 2 处理顺序 经过单线接口访问d s l 8 8 2 0 的协议( p r o t o c 0 1 ) 如下f 8 l ： ( 1 ) 初始化单总线上的所有处理均从初始化序列开始。初始化序列包括总线 主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。 ( 2 ) r o m 操作命令一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件 r o m 操作命令之一。所有r o m 操作命令均为8 位长。这些命令操作流程如图2 1 2 所示。 1 ) r e a dr o m ( 读r o m ) 【3 3 h 】 此命令允许总线主机读d s l 8 2 0 的8 位产品系列编码，唯一的4 8 位序列号，以 及8 位的c r c 。此命令只能在总线上仅有一个