（测试计量技术及仪器专业论文）基于pc机的总线式温度检测系统研究.pdf

河北科技大学学位论文原创性声明 1 、，、旺币：占i 日巧：所呈交的学位论文，是本人存导师的指导下，独立进行研究工作所 h 上角的成泉，对本文的研究做出重要贡献的个a 并r j 集体均已在文中以明确方式杯 9 。k 尔支咔i 已经澶明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 拱q 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。 学位论文作者签名： 毕断 指导教师签名：乏嘲 - - v , ioms 月胡同 汕f 。年f 月 臼同 ；, - - 7 ：1 t 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 医；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，i l 乖 t 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 以乐f f j 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 o f f , - 密，在一年解密后适用本授权书。 率学位论文属于 拆保密。 ( 请在以上方框内打“、j ”) 学位论文作者签名： 阜盹每 扫l 口年s 月u 同 指导教师签名：i 懒 ，年 月p 同 摘要 摘要 温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着越来越重要的角 色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度检测系统的设计与研究有十分重要 的意义。温度是生产过程和科学试验中普遍存在的物理量，许多领域都需要对温度 进行监控。 本文提出的基于p c 机的总线式温度检测系统是采用d s l8 8 2 0 作为温度传感 器，以微机作为主控计算机。通过总线驱动器进行电平转换，由r s 2 3 2 串行通讯 线把数据直接传送给p c 机，让p c 机对所得到的数据进行分析处理，并且应用v b 语言编程实现温度的显示。 硬件方面是由p c 机和单总线驱动器来实现的，d s l 8 8 2 0 采集到的温度数据通 过总线驱动器传送给p c 机，运行在p c 机上的编程软件v b 利用总线驱动器提供给 硬件的接口，对整个单总线驱动器进行操作控制，并且对测量数据进行处理。软件 方面主要是通过对系统参数的设置，通信控件的应用，最终实现对d s l8 8 2 0 的控 制和温度数据的读取。 使用数字温度传感器d s l 8 8 2 0 简化了测温器件与单片机的接口电路，从而使 硬件电路体积小、连接方便，具有速度快、可靠性高、性价比好、应用性强等特点。 p c 机实现多种人机对话方式，操作简便，适合现场使用。良好的软件平台，并能 自动识别传感器数量，系统维护方便。 本系统在测试点与计算机之间建立有效、灵活、低功耗、可靠的通讯方式。实 现测试仪器高速、便捷、网络化是当今仪器发展的一个重要方向。所以，基于r s 2 3 2 总线的多点温度采集系统是一种非常实用的温度采集方式。 关键词p c 机；r s 2 3 2 ；总线驱动器；d s l8 8 2 0 ：温度检测 河北科技，j j 学硕十。学伊论文 a b s t r a c t i tp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ef o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc o n t r o l s y s t e mi nt h ei n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n dp e o p l e sd a i l 3 l i f e i th a sag r e a ti n f l u e n c ei n 目录 目三重 目冰 摘要1 a b s t r a c t - i i 第1 章绪论1 1 1 本文研究的背景及意义1 1 2 国内外的现状2 1 3 本文研究的内容- 3 1 4 本系统构成及功能描述3 1 5 本文结构4 第2 章传感器的介绍及其选择”5 2 1 温度传感器的介绍5 2 1 1不同接触方式的温度传感器5 2 1 2 不同输出信号模式的温度传感器5 2 1 3四种常见的温度传感器的比较6 2 2 可编程单总线数字温度传感器d s l 8 8 2 0 7 2 2 1d s l8 8 2 0 的功能特点7 2 2 2d s l8 8 2 0 的外形和引脚介绍7 2 2 3d s l8 8 2 0 的测温原理1 2 2 2 4 单总线系统13 2 2 5 单总线信号1 4 2 3 本章小结1 6 第3 章总体结构及串行通信介绍1 7 3 1 系统总体结构1 7 3 1 1 系统分析1 7 3 1 2 系统方案的确定1 7 3 2 串行通信基础19 3 2 1异步传输与同步传输1 9 3 2 2串行通信工作模式2 1 3 2 3 握手信号2 1 3 2 4 通信参数2 2 3 3 串行通信接口标准2 2 3 3 1r s 一2 3 2 串行接口。2 3 i i i 3 3 2r s 2 3 2 电气特性 3 3 3r s 一2 3 2 接口引脚定义 3 3 4 串行通信接口电路标准 3 4 本章小结 第4 章测温系统的设计 4 1 测温系统的硬件设计 4 2 测温系统的软件设计 4 2 1 测温系统的管理软件设计 4 2 2v b 中串口通信应用 4 3c r c 校验 4 3 1解决d s l8 8 2 0 通讯误码的 4 3 2 如何解决误码问题 4 3 3c r c 校验硬件实现 4 3 4c r c 软件实现 4 4 r o m 搜索算法 4 4 1r o m 序列号 2 3 2 3 2 4 2 5 2 6 2 6 2 7 一j 2 7 2 7 2 8 方法2 8 2 9 一，31 31 3 4 3 4 4 4 2搜索原理3 4 4 4 3 搜索算法3 5 4 5 本章小结3 7 第5 章系统软硬件测试过程3 8 5 2 1 5 2 2 5 2 3 5 2 4 5 3 本 第6 章 d s l8 8 2 0 的初始化4 1 d s d s d s 8 8 2 0 8 8 2 0 8 8 2 0 章小结4 8 关于软件通用性的思考4 9 6 1 通用温度检测软件应具有的通用性4 9 6 2 通用的温度检测软件基本组成部件5 0 6 3 微机通用温度检测系统的设计思考5 1 6 4 本章小结5 3 结论5 4 i v 弘 乱 一 一试试测测件件硬软 统统 系系 1 2 nc nc v d d d q l5 26 37 4 8 nc nc nc g n d 图2 1d s l 8 8 2 0 的外形及管脚排列 f i g 2 - 1 d s1 8 8 2 0s h a p ea n d p i na r r a n g e m e n t 表2 1d s l 8 8 2 0 引脚定义 t a b 2 1d e t a i l e dp i nd e s c r i p t i o n 引脚说明 d o数，输入输端。单线操作，漏极开路。t 作在寄生e u 源模式时，提供电源 g n d电源地 v d d 外接f j f 也r e 源输入端f 袖：寄生电源接线方式时接地1 以上部分介绍了d s l 8 8 2 0 的外形及其管脚排列，引脚的定义，下面我们将要介 绍d s l 8 8 2 0 内部结构，它主要由四部分组成：6 4 位光刻r o m 、温度传感器、非挥 发的温度报警触发器t h 和t l 、配置寄存器。r o m 中的6 4 位序列号是生产厂商在 出货前就已经设计好的，它的作用是记录每一个d s l 8 8 2 0 的独特的r o m 码，高速 暂存器中的温度寄存器是由两个字节构成的，这两个寄存器的作用是用来存储温度 传感器输出的数据。另外，高速暂存器提供一个存放高温度和低温度的触发器( t h 和t l ) ，和一个字节的结构寄存器。其中，低温触发器t l 、高温触发器t h ，用于设 置低温、高温的报警数值。d s l 8 8 2 0 完成一个周期的温度测量后，将测得的温度值 和t l 、t h 相比较，如果小于t l ，或大于t h ，则表示温度超越了设置的范围，将 该器件内的警告标志位置位，并对主机发出的警告搜索命令作出回答。需要修改上、 下限温度值时，只需使用一个功能命令即可对t l 、t h 写入，十分方便。用户可以 根据自己的需要，将温度的精度设置为9 ，1 0 ，1 1 或1 2 位，这些设置都能够在配置 8 第2 章传感器的介绍及其选择 寄存器中得以实现。由于t h ，t l 和配置寄存器都具有不容易丢失数据，并且能够 擦除的功能，因此所得到的数据在突然掉电时能够给予存储 7 1 。具体的内部框图见图 2 2 所示。 r l 存储器和黼幡 6 4 位 工i l 温度灵敏元件 r o m jl 0 和 高速 一 l单线 缓存 低温触发器t l 接口存储器 电 _ - 源 ! - l 高温触发器t h 7z尘 检 i 测 ： 配置寄存器 8 位c r c 生成器 图2 2d s l 8 8 2 0 的内部结构 f i g 2 - 2 d s i8 8 2 0b l o c kd i a g r a m ( 1 ) 6 4 位( 激) 光刻只读存储器每个d s 18 8 2 0 都有一个唯一存储在r o m 中的 6 4 位编码。最前面8 位是单线系列编码：2 8 h 。接着的4 8 位是一个唯一的序列号。 最后8 位是以上5 6 位的c r c 编码。6 4 位r o m 和r o m 操作控制去允许d s l 8 8 2 0 作为单总线器件并且按照单总线协议工作。如表2 2 所示。 表2 26 4 位( 激) 光刻只读存储器 t a b 2 2r o mo f6 4b j t 8 位c r c 4 8 位序列号 8 位序列码 ( 2 ) 高速缓冲寄存器d s l 8 8 2 0 中的温度传感器能够实现对温度的检测，然后 表2 3d s l 8 8 2 0 温度寄存器格式 t a b 2 - 3d s18 8 2 0t e m p e r a t u r er e g i s t e rf o r m a t b i t 7 b i t 6 b i t 5b i “ b i t 3b i t 2b i t lb i t 0 9 河北科技大学硕士学位论文 把结果存储在高速缓冲存储器中的前两个字节。终端设备能够通过传送数据的单线 接口得到想要读出的数据，在得到的数据中，低位在前，高位在后，数据字节的定 义如表2 3 所示。 以上是经过转换后得到的1 6 位数据，它们分别存储在r a m 中的0 字节和1 字 节。在这1 6 位数当中，从左向右看，二进制中的前面5 位是符号位。通过判定这五 位的值，即能确定温度的正负性。如果测得的温度大于o ，这5 位符号位为0 ，然后 需要将收到的数值与0 0 6 2 5 做乘法就能够显示出实际温度；与前面的相对而言，假 设温度小于0 ，这5 位符号位为l ，将所得到的数值进行取反加1 ，再与0 0 6 2 5 做乘 法即可得到实际温度【8 j 。温度数据的关系如表2 4 所示。 表2 _ 4 温度数据关系 t a b 2 _ 4 t e m p e r a t u r e d a t er e l a t i o n 温度数据输出( 二进制)数据输出( 十六进制) + 1 2 50 0 0 00 l l l1 1 0 l0 0 0 00 7 d o h + 8 50 0 0 00 1 0 10 1 0 l0 0 0 0 0 5 5 0 h + 2 5 0 6 2 50 0 0 00 0 0 11 0 0 10 0 0 l 0 1 9 l i 、 1 - 1 0 1 2 5 0 0 0 0o o ( ) 01 0 1 00 0 1 00 0 a 2 h + 0 50 0 0 0 0 0 0 00 0 0 01 0 0 00 0 0 8 h o0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0o o o o h 一0 51 1 1 11 1 l l1 1 1 11 0 0 0 f f f 8 h 一1 0 1 2 5 1 1 1 l1 1 1 】0 1 0 11 1 1 0f f 5 e h 一2 5 0 6 2 5 1 1 1 l1 1 1 0 0 1 1 0l l l lf e 6 f h 一5 5 1 1 l ll l o o1 0 0 10 0 0 0f c 9 0 h 上电复位时温度寄存器默认值为- t - 8 5 ( 3 ) 存储器存储器有一个暂存s r a m 和一个存储高低报警触发值t h 和t l 的非易失性电可擦除e 2 p r o m 组成。注意当报警功能不使用时，t h 和t l 寄存器可 以被当作普通寄存器使用。 位0 和位1 为测得温度信息的l s b 和m s b 。这两个字节是只读的，第2 和第3 字节是t h 和t l 的拷贝。位4 包含配置寄存器的数据，位5 ，6 ，和7 被器件保留， 禁止写入；这些数据在读回时全部表现为逻辑l 。 高速暂存器的位8 是只读的，包含以上八个字节的c r c 码。 数据通过写暂存器指令 4 e h 】写入高速暂存器的2 ，3 和4 位；数据必须以位2 1 0 第2 章传感器的介绍及其选择 为最低有效位开始传送。为了完整的验证数据，高速暂存器能够在数据写入后被读 取( 使用读取寄存器指令 b e h 。在读暂存器时，数据以位0 为最低有效位从单总线移 池。总线控制器传递从暂存器到e 2 p r o m t h ，t l 和配置数据必须发出拷贝暂存器指 令 4 8 h 。 e 2 p r o m 寄存器中的数据在器件掉电时仍然保存；上电时，数据被载入暂存器。 数据也可以通过召回e 2 p r o m 命令从暂存器载入e 2 p r o m 。总线控制器在发出这条 命令后发出读时序，d s l 8 8 2 0 返回0 表示正在召回中，返回l 表示操作结束。如表 2 5 所示。 表2 5d s l 8 8 2 0 存储器 t a b 2 - 5 t h em o m e r yo fd si8 8 2 0 b v t e l 温度m s b b y t e 2 t h 用户字节】 b y t e 3 ；t l 用户字节2 b 、t 。4配置寄存器 b e 5 保留位( f f h ) b v t e 6 保留位( 0 c h ) b e 7保留位f 1 0 h ) b 、吨e 8c r c ( 4 ) 配置寄存器存储器的第4 位为配置寄存器，用户可以通过设置r o 和r 1 位来设定d s l 8 8 2 0 的精度。上电默认设置：r o - - 1 ，r 1 = 1 ( 1 2 位精度) 。值得注意的是， 精度和转换时间之间有直接的关系，暂存器的位7 和位0 4 被器件保留，禁止写入； 在读回数据时，它们全部表现为逻辑1 p 】。如表2 - 6 所示。 在这8 位数据中，低五位全为“1 ”，第7 位为0 ，用户在这些设置方面不需要进 行改动。r 1 和r o 表示对温度分辨率的设置，如表2 7 所示( d s l 8 8 2 0 出厂时被设置 为1 2 位) 。使用时可以通过写入操作改变r 0 ，r 1 的值。 表2 - 6 配置寄存器 t a b 2 - 6 c o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r 河北科技大学硕士学位论文 表2 7 温度分辨率设置 t a b 2 7t m n p e r a t u r er e s o l u t i o nc o n f i g u r a t i o n r 1r o 分辨率温度最大转换时间n l g 0o 9 位 9 3 7 5 oll o 位1 8 7 5 1o1i 位3 7 5 111 2 位7 5 0 2 2 3d s l 8 8 2 0 的测温原理 d s l 8 8 2 0 的测温原理如图2 3 所示，图中低温度系数晶振的振荡频率不容易受 到温度的干扰，用来向计数器1 提供固定频率的脉冲信号。高温度系数晶振由于受 到温度变化较大，其震荡频率会发生明显的变化，由高温度系数晶振所产生的信号 作为减法计数器2 的脉冲输入，用于控制闸门的关闭时间。图中还隐含着计数门， 当计数门打开时，d s l 8 8 2 0 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进 习竿刘! 瓜习剥一一! 瓜 低温度系数晶振r 1 减法计数器 加l 高温度系数晶振r 叫减法计数器2 停止 预置 温度寄存器 l s b 置位清除 图2 3d s l 8 8 2 0 测温原理幽 f i g 2 - 3 d si8 8 2 0t e m p e r a t u r ep r i n c i p l ed i a g r a m 而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，初态时，首先将 5 5 所对应的基数分别置入减法计数器1 和温度寄存器中，减法计数器1 和温度寄 存器被预置在5 5 所对应的一个基数值上。减法计数器1 对低温度系数晶振产生的 脉冲信号进行减法计数，在计数器2 控制的闸门时间到达之前，如果计数器1 的预 1 2 第2 章传感器的介绍及其选择 值减到0 ，则温度寄存器的值将作加1 运算，与此同时，用于补偿和修正测温过程中 的非线性的斜率累加器将输出一个与温度变换相对应的计数值，作为计数的新预置 值，计数器1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环，直 到计数器2 控制的闸门时间到达计数到o 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度 寄存器中的数值即为所测温度。这就是d s l 8 8 2 0 的测温原理【l 们。 2 2 4 单总线系统 单总线系统包括一个总线控制器和一个或者多个从机。d s i8 8 2 0 总是充当从机。 当只有一个从机挂在总线上时，系统被称为“单点”系统；如果由多个从机挂在总线 上，系统被称为“多点”【1 1 】。 所有的数据和指令的传递都是从最低有效位开始通过单总线。 关于单总线系统分三个题目讨论：硬件结构、执行序列和单总线信号，本节仅 阐述一下执行序列。 执行序列即通过单线总线端口访问d s l 8 8 2 0 的协议如下： 步骤l ：初始化； 步骤2 ：r o m 操作指令； 步骤3 ：d s l 8 8 2 0 功能指令。 每一次d s l 8 8 2 0 的操作都必须满足以上步骤，若是缺少步骤或是顺序混乱，器 件将不会返回值。 ( 1 ) 初始化通过单总线的所有执行操作处理都从一个仞始化序列开始。初始 化序列包括一个由总线控制器发出的复位脉冲和其后由从机发出的存在脉冲。存在 脉冲让总线控制器知道d s l 8 8 2 0 在总线上且己准备好操作。 ( 2 ) r o m 指令如果一个存在脉冲被总线控制器探测到，它就可以发出5 个 表2 8r o m 指令表 t a b 2 8r o mj n s t r u c f i o n 指令约定代码功能 读r o m3 3 h读6 4 位地址仅适用于但总线j ：只确一个d s l8 8 2 0 的情j 兑。 匹配r o m5 5 h这条命令发出后，伴随着发出6 4 位r o m 编码，单总线上与该 编码匹配的d s l 8 8 2 0 才能对后面的存储器操作命令做出响应。 搜索r o m0 f o h 确定单总线上d s l8 8 2 0 的个数和识别6 4 位地址。 跳过r o mo c c h适用于单点情况下，跳过6 4 位地址搜索，然后向d s l 8 8 2 0 发 温度转换命令。 告警搜索0 e c h执行后只有温度超过限值的片子做出响应。 1 3 河北科技大学硕士学位论文 r o m 命令中的任何一个。如果在单线总线上挂有多个d s l 8 8 2 0 器件时，这些指令 将基于器件独有的6 4 位r o m 片序列码使得总线控制器选出将对哪个器件进行操作。 r o m 命令同样能够很快的识别出总线控制器有多少个器件，并且可以判断器件的型 号，与此同时，它们也可以辨别出哪些器件己经符合报警条件。r o m 指令共有5 条， 每条命令的长度为8 位。总线控制器在发起一条d s l 8 8 2 0 功能指令之前必须先发出 一条r o m 指令。 ( 3 ) r a m 操作命令成功执行完一条r o m 操作序列后，即可进行存储器和控 制操作，总线控制器可以提供如表2 7 所示的6 条存储器和控制操作指令中的任一条。 可以用一条存储器操作命令对t h 、t l 和配置字节进行写入，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。 表2 - 9 洲指令表 t 如2 9r a mi n s t r u e t i o n 指令约定代码功能 温度转挨4 4 h命令d s l8 8 2 0 实施温度转换 读暂存器 o b e h 读取暂存器和c r c 字节，直到第9 字节 写暂存器4 e h把字节笃入暂存器的t h t l 和配置寄存器， 复制暂存器 4 8 h 将r a m 中的第3 、4 字节的内容复制到e e p r o m 中 e e p r o m0 8 8 h传送拷9 标识给总线控制器 读供电方式 0 8 4 h 返哼l f j ! 乜的状态。寄生时d s l 8 8 2 0 发送0 ，外接时发送1 2 2 5单总线信号 遵循单总线协议确保了d s l 8 8 2 0 准确无误的传输数据。复位脉冲、存在脉冲、 写0 、写1 、读0 和读1 是单总线协议中必须重视的时序。在这些信号当中，存在脉 冲是由温度传感器发出的证明其能工作的时序，其余的都是由总线控制器发出的。 复位序列：复位和存在脉冲 在测温系统中，不管d s l 8 8 2 0 之间如何进行数据的传输，都要求以初始化序列 作为开始，当总线控制器发出一个复位脉冲后，紧跟着反馈回来一个存在脉冲，则 标志着d s l 8 8 2 0 进入了工作的状态。 微机将数据线拉低达4 8 0 9 s 以上9 6 0 1 s 以下，此信号则代表要对d s l 8 8 2 0 复位。 d s l 8 8 2 0 在1 5 - 6 0 1 x s 后，将给出6 0 - 2 4 0 1 x s 的存在响应脉冲。此脉冲表示总线上存 在d s l 8 8 2 0 或d s l 8 8 2 0 已经准备好操作。在开始新的操作前都要对d s l 8 8 2 0 进行 复位。复位和应答脉冲的时序波形如图2 4 所示【l 引。 1 4 第2 章传感器的介绍及其选择 图2 - 4 初始化过程复位和应答脉冲 f i g 2 - 4 i n i t i a l i z a t i o nc , o u l 名er e s e ta n dr e s p o n dp u l s e 读写时序：d s l 8 8 2 0 的数据读写是通过时序处理位来确认信息交换的。 ( 1 )写时序有两种写时序：写1 时序和写0 时序。当微机将数据线由逻辑“1 ” 拉为逻辑“0 ”时，就开始了一个写周期。对于写0 和写1 两种操作而言，每写一位都 需要最少6 0 i t s 的稳定时间和1 1 t s 高电平恢复时间。d s l 8 8 2 0 在数据线变低的1 5 h s 6 0 9 s 内采样数据线，如为高电平则接收一位“l ”否则接收一位“0 ”。因此，当写1 时， 微机首先要将数据线拉为低电平，而后在1 5 9 s 之内必须拉为高电平，否则将可能出 错。时序波形如图2 5 所示。写o 时相对简单，微机只要将数据线拉低且保持至少 6 0 1 t s 即可。时序波形如图2 - 6 所示。 。6 1 2 0 l l s u 7 i 一u s j - 1 5 9 s 图2 5 写1 时序波形图 f i g 2 - 5 w r i t eit i m es l o tt i m i n gd i a g r a m 图2 - 6 写0 时序波形图 f i g 2 - 6w r i t e0t i m es l o tt i m i n gd i a g r a m ( 2 ) 读时序当总线控制器发出读时序的命令时，d s l 8 8 2 0 是被动的用来传输 数据给主机的。所以，主机在发出读暂存器指令 b e h 或读电源模式命令指令 b 4 h 后必须马上启动读时序，d s l 8 8 2 0 能够提供请求信息。此外，总线控制器在发出温 度转换指令 4 4 h 或召回e 2 p r o m 指令【b 8 h 之后读时序【1 3 。 图2 7 读时序波形图 f i g 2 - 7 r e a dt i m es l o tt i m i n gd i a g r a m 河北科技火学硕士学位论文 所以，读数据时也是微机主动的。当微机将数据线由”1 ”拉为”0 ”开始读周期。 微机要保证数据线在低状态时至少保持ls ，而后微机释放数据线。数据线则在 d s l 8 8 2 0 驱动下或为高或为低。但是此数据只在1 5s 之内有效，也即微机必须要在 1 5s 之内取样，过了1 5s 后，数据不能保证绝对正确( 由于d s i s b 2 0 的离散性) 。 读时序也需要至少6 0s 的持续时间和1s 的恢复时间。时序波形如图一2 - 7 所示。 2 3 本章小结 通过对不同类型的传感器相比较，最终确定了数字温度传感器d s l 8 8 2 0 ，并且 介绍了其内部组成和测温的原理以及单总线信号、单总线系统等知识。 1 6 第3 章总体结构及串行通信介绍 第3 章总体结构及串行通信介绍 3 1系统总体结构 3 1 1系统分析 ( 1 ) 温度测量范围在各种各样的测量技术中，温度的测量可能是最为常见的 一种，因为任何的应用领域，掌握温度的确切数值，了解温度与实际状态之间的差 异等，都具有极为重要的意义。测温传感器的测温范围在一5 0 + 1 5 0 。c 之间，就可 以满足测量需要。 ( 2 ) 多点温度采集在科研实验、大棚蔬菜种植、各种动物养殖及卫生医疗等 场合经常要用到多点温度采集系统。利用p c 机将采集到的多点温度进行分析处理是 非常方便的，日常生活中p c 机的数据接口常用的为r s 一2 3 2 。r s 2 3 2 标准规定，驱 动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用15 0 p f m 的 通信电缆时，最大通信距离为1 5 m ；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。 因此，在主机和数据采集系统之间可以实现简单、快捷、可靠的连接和通讯。在测 试设备与计算机之间建立有效、灵活、低功耗、可靠的通讯方式。实现测试仪器高 速、便捷、网络化是当今仪器发展的一个重要方向。所以，基于r s 2 3 2 总线的多点 温度采集系统是一种非常实用的温度采集方式4 i 。 ( 3 ) 测温点的分布针对测温点分布范围较广这个特点，系统采用主从式总线 系统。每一个传感器采集到的温度信息，通过串行通信把温度传到p c 机，由p c 机 中的管理软件实现各种管理操作。 ( 4 1 集中监视和管理本系统中p c 机实现多种人机对话方式，操作简便，适 合现场使用。良好的软件平台，具备二次开发能力，并能自动识别传感器数量，系 统维护方便。系统主要有设置选择下位机及测温点数目，温度上下限值，测温时间， 温度巡检与切换监视画面选择，收集、整理、采集、曲线显示、打印等功能【l 引。 3 1 2系统方案的确定 ( 1 ) 传统的系统方案温度检测过程，实质上是温度信息的采集、传递和处理 过程。通过对目前常用的温度检测设备的研究发现，传统的温度检测系统通常采用 的结构如图3 1 所示。 图3 一l 传统的温度检测系统结构图 f i g 3 - 1 t h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r eo f t h et e m p e r a t u r ed e t e c t i o ns y s t e m 1 7 温度数据显示：当前各测温点的温度，温度曲线图。 超限报警功能：温度超限报警，并记录报警信息。 文件处理功能：打开、查询、打印温度报表。 总线驱动器在这里起两个作用：第一，由于d s l 8 8 2 0 的操作时序是固定的，而 且许多控制脉冲很窄，只有几个微秒，虽然理论上可以将几乎无限多的d s l 8 8 2 0 并 联在一条总线上，但实际上当总线过长( 超过2 0 米) 和d s l 8 8 2 0 过多( 多于8 个) 时， 总线的分布电容增大，从而产生波形失真，造成操作错误。为了解决这一问题，我 们设计了d s l 8 8 2 0 的总线驱动电路。第二，由于d s l 8 8 2 0 采用的是t t l 电平，而 r s 2 3 2 串口线与p c 机进行通讯时使用的是r s 2 3 2 电平，这就需要在两种不同的电 1 8 一一一 第3 章总体结构及串行通信介绍 平之间进行转换。 通过总线驱动器进行电平转换，就能由r s 。2 3 2 串行通讯线把数据直接传送给 p c 机。 另外，由于系统采用的总线驱动器基于计算机串口( r s 2 3 2 ) ，考虑到d s l8 8 2 0 时序和r s 2 3 2 时序的不一致性，所以在系统软件中通过设定特定的波特率和数据来 实现几种基本单总线操作的时序脉冲( 因为单总线时序逻辑允许有较大的变化余量， 所以能够做到这一点) ，这样可以省去对总线时序的精确控制，大大降低了系统软件 的复杂性。 3 2串行通信基础 随着计算机的广泛应用，市场上许多电气产品应用串口通信技术作为对外数据 交换的桥梁，串口通信受到如此重视，只要原因就是这个技术简单而且容易实现f l 引。 串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上， 以每次一个二进制的0 、i 为最小单位一位一位的传输。 串行数据传送的特点是： 1 ) 串行传送在一根传输线上既传送数据信息又传送联络控制信号； 2 ) 有固定的数据格式，分异步与同步数据格式； 3 ) 串行通信中对信号的逻辑定义与t t l 不兼容，故需要进行逻辑关系与逻辑电 平转换； 4 ) 串行传送信息的速率需要控制，要求双方设定通信传输的波特率。 总而言之，串行通信是指在单根数据线上将数据一位一位地按照顺序进行传送。 在传送数据的过程中，每发送完一个数据，紧接着发送第二个，直到发送完最后一 位为止。在接受数据的过程中，每一次从单根数据线上一位一位地依次接受，直到 最后收到一个完整的数据为止。因此，串行口通信方式一般用在远距离数据通信中， 正好符合具有占用通信线少、成本低等优点【l9 l 。 3 2 1异步传输与同步传输 在网络通信过程中，通信双方要交换数据，需要高度的协同工作。为了正确的 解释信号，接收方必须确切地知道信号应当何时接收和处理，因此定时是至关重要 的。在计算机网络中，定时的因素称为位同步。同步是要接收方按照发送方发送的 每个位的起止时刻和速率来接收数据，否则会产生误差。通常可以采用同步或异步 的传输方式对位进行同步处理。 在异步传输中，信息以字符为单位进行传输。异步传输的优点就是收、发双方 不需要严格的位同步，所谓“异步”是指字符与字符之间的异步，字符内部仍为同步。 1 9 河北科技大学硕士学位论文 在同步传输中，不仅字符内部为同步，字符与字符之间也要保持同步。同步传输的 特点是可获得较高的传输速度，但实现起来较复杂【2 0 1 。 为了解决以上问题，串行传输可以采用以下两种方法：异步传输和同步传输。 ( 1 ) 异步传输异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8 位的1 个字符 或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么 时候到达。一个常见的例子是计算机键盘与主机的通信。按下一个字母键、数字键 或特殊字符键，就发送一个8 比特位的a s c i i 代码。键盘可以在任何时刻发送代码， 这取决于用户的输入速度，内部的硬件必须能够在任何时刻接收一个键入的字符。 异步传输存在一个潜在的问题，即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在 它检测到数据并做出响应之前，第一个比特已经过去了。这就像有人出乎意料地从 后面走上来跟你说话，而你没来得及反应过来，漏掉了最前面的几个词。因此，每 次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了 接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传 输信息的终止。按照惯例，空闲( 没有传送数据) 的线路实际携带着一个代表二进制1 的信号，异步传输的开始位使信号变成0 ，其他的比特位使信号随传输的数据信息而 变化。最后，停止位使信号重新变回1 ，该信号一直保持到下一个开始位到达。例如 在键盘上数字“1 ”，按照8 比特位的扩展a s c i i 编码，将发送“0 0 1 1 0 0 0 1 ”同时需要 在8 比特位的前面加一个起始位，后面一个停止位【2 。 ( 2 ) 同步传输同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个孚符， 每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。我们将这些 组合称为数据帧，或简称为帧。数据帧的第一部分包含一组同步字符，它是一个独 特的比特组合，类似于前面提到的起始位，用于通知接收方一个帧已经到达，但它 同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。 帧的最后一部分是一个帧结束标记。与同步字符一样，它也是一个独特的比特串， 类似于前面提到的停止位，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了。 综上所述，我们可以归结一下同步传输和异步传输的区别，具体如下： 1 1 异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。 2 ) 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧。 3 ) 异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输 则是以数据中抽取同步信息。 4 ) 异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时 序。 5 1 异步传输相对于同步传输效率较低。 2 0 第3 章总体结构及串行通信介；“ 3 2 2串行通信工作模式 通过单线传输信息是串行数据通信的基础。传输的数据往往依赖于两个站( 点对 点) 之间进行传送，依据数据流的方向，串行通信的工作模式可以分为3 种：单工、 半双工、全双工【2 2 j 。 ( 1 ) 单工方式数据传送是单向的，称之为单工形式的显著特点。在通信双方 的数据传输中，其中一方固定为发送端，另外一方则固定为接收端。由于使用一根 数据线，所以数据信息只能沿一个方向传送。 单工形式常常用于只面向一个方向传送数据的场合。比如说计算机与打印机之 间的通信就能够当作单工形式，因为只有计算机向打印机进行传送数扼的通信，然 而在相反的方向上不存在数据传送。另外在某些通信信道中，也应用串行通信工作 模式，比如单工无线发送等。 f 2 ) 半双工方式在半双工通信方式中，通信双方使用同一根传输线，这个数 据线具有发送数据和接收数据的功能，然而却不能同步发送和接收数扰：，也就是说 在某- - 8 , - t 亥0 ，其中的一方只能发送数据，而另一方只能接收数扼。在半双工形式下， 并不是只能使用一条数据线也可以使用两条数据线进行数据的化送： 每端需要有一个收发切换电子开关是进行半双工通信的关键，依靠切换电子丌 关来控制数据的传输方向。吐! 于存在切换，所以在通信过程中会出现时延，以此造 就低效的信息传输速率。比如说像应用单方向传输的打印机而言+ ，采用半双工方式 就可以达到要求了，从而可以节省资源。 ( 3 ) 全双工方式在全双工数据通信中，两根传输线上存在可以由两个不同的 站点同时发送和接收的数据，发送和接收可以同步进行。 全双工方式具有信息传输效率较高的优点，因为在数掘的传送每一端都有发送 器和接收器，并且使用两条传送线进行通信，具体应用可以在交互式应用和远程监 控系统中使用。 3 2 3握手信号 握手信号实质上是一系列相互识别的控制信号，这行信号发生在两台计算机或 其他设备之间进行通信或传递，以此来控制传送的数据。在双方数据的通讯中，握 手信号起到通知双方互相通信的作用，发送方向能够告知接收方是否有数扼要发送， 接收方通过握手信号通知发送方它是否已经做好了接收信号的准备。握手信号在通 信过程中遵循统一协议【2 3 】。 硬件握手指的是一种通过专用线而不是数据线进行的信号交换，参与握手的设 备表明己做好发送或接收数据的准备。软件握手由通过同样的线路传输的信号组成， 2 1 河北科技大学硕士学位论文 用于传送数据，如用调制解调器通过电话线进行通信。 3 2 4 通信参数 串行端口的通信方式是将字节拆分成一个接着一个的位在传送出去，接到此电 位信号的一方再将此一个个的位组合成原来的字节，如此形成一个字节的完整传 送。 在传输进行的过程中，双方明确传送信息的具体方式，否则双方就没有一套共 用的译码方式，从而无法了解对方所传过来的信息的意义。因此双方为了进行通信， 必须遵守一定的通信规则，这个共同的规则就是通信端口的初始化。 通信端口的初始化是对数据的传输速度( 波特率) ，数据的传送单位，起始位与停 止位，校验位进行的设置。 波特率是指串行通信中每秒内传送二进制数码的位数，以b i t s ( 位秒) 为单位。 它是衡量串行数据传送速度快慢的关键参数。计算机通信过程中常用的波特率是： 11 0 ，3 0 0 ，6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 1 5 2 0 0 b p s 。 在数据的传送单位中，一般串行通信端口所传送的数据是字符型。当使用字符 型编码时，工业界常使用到的是a s c i i 字符码，它使用了8 位形成一个字符。不同 的情形下( 依照使用的协议) ，会使用到不同的传送单位。使用多少位合成一个字节必 须先行确定i 2 4 l 。 设置起始位和校验位是由于异步串行传输中并没有使用同步脉冲作基准，所咀 接收端完全不知道传送端何时将进行数据的传送。发送端准备要开始传送数据时， 发送端会在所送出的字符前后分别加上高电位的起始位( 逻辑o ) 及低电位的停止位 ( 逻辑1 ) ，它们分别是所谓的起始位和停止位。也就是说，当传送端要开始传送数据 时，便将传输线上的电位由低电位提升至高电位；而当传输结束后，再将电位降至 低电位。接收端会因起始位的触发( 电压由低电位升至高电位) 而开始接收数据，并且 因为停止位的通知( 电压维持在低电位) 而明确数据的字符信号已经结束，当加入了起 始位及停止位才比较容易达到多字符的接收能力。起始位固定为1 位，然而停止位 可以有1 、1 5 、2 位等多种选择，具体设置方法要依据通