微型溫度測量的數(shù)字化方案

　摘要：在各種傳感器的設(shè)計(jì)中，溫度是影響其性能指標(biāo)的一個(gè)重要因素。在對體積限制很嚴(yán)格的條件下，解決了硅微加速度計(jì)設(shè)計(jì)中的內(nèi)部溫度測量問題。主要討論了內(nèi)嵌于加速度計(jì)的微型數(shù)字溫度傳感器DS18B20U的功能特點(diǎn)和使用要點(diǎn)，并且介紹了“一線”網(wǎng)關(guān)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。此項(xiàng)技術(shù)已有后續(xù)的軟件開發(fā)實(shí)例。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器 DS18B20U “一線”總線 網(wǎng)關(guān)
　　隨著技術(shù)的發(fā)展，各種慣性器件的性能在不斷提高，體積也在不斷小型化。對于慣性器件（如加速度計(jì)、陀螺）性能的提高，溫度補(bǔ)償作為一種重要的修正方式越來越引起人們的注意，因此如何在慣性器件極小的空間內(nèi)精確地測量、傳輸、處理溫度信息，成了能否使其性能和體積優(yōu)勢進(jìn)一步提高的關(guān)鍵問題。
1 DS18B20U和“一線”總線
　　在研制新一代的微型MMS加速度計(jì)時(shí)，溫度測量的難題以一次擺在人們的面前。在3～4cm3的空間內(nèi)放置一個(gè)傳統(tǒng)的SO-8或TO-92封裝的器件都顯得擁擠，更何況還要旋轉(zhuǎn)一個(gè)非主要功能的溫度傳感器了。
　　縱觀國際上現(xiàn)有的溫度傳感器的變化，總的趨勢是從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的體積也在不斷減小。在體積非常苛刻的慣性器件中使用高精度、數(shù)字輸出型的溫度傳感器，MAXIM公司的DS18B20U最為符合要求。DS1820U是DS18B20系列產(chǎn)品中的一種。與以往模擬溫度信號的輸出不同，DS18B20的數(shù)字溫度輸出通過“一線”總線（1-Wire是被MAXIM公司收購的DALLAS公司新?lián)碛械囊环N獨(dú)特的數(shù)字信號總線協(xié)議，它將獨(dú)特的電源線和信號線復(fù)合在一起，僅使用一條口線；每個(gè)芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址、零功耗等待等，是所需硬件連線最少的一種總線）這種獨(dú)特的方式，使多個(gè)DS18B20U方便地組建成傳感器網(wǎng)絡(luò)，為整個(gè)測量系統(tǒng)的建立和組合提供了更大可能性。
　　DS18B20真正令人驚奇的是其μSOP封裝，這種封裝只有3.0mm×6.4mm的水平尺寸，高度小于1.2mm。這樣可以節(jié)省更多的印刷電路板空間，非常適合于集成度高、對尺寸要求嚴(yán)格的慣性器件電路。因此在本加速度計(jì)的狹窄空間中使用，它是最為合適的內(nèi)嵌式溫度傳感器件。
DS18B20溫度傳感器的主要性能指標(biāo)為：
*“一線”總線接口令需一個(gè)端口進(jìn)行通訊。
*簡單的多點(diǎn)分布應(yīng)用。
*可通過數(shù)據(jù)線供電。
*測溫范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃的范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。
*溫度以9～12位數(shù)字量讀出，分辨率為0.0625℃。
*U型產(chǎn)品采用超小型的μSOP封裝，大大減小了體積。
　　以下介紹DS18B20U的一些使用要點(diǎn)，更詳細(xì)的信息可以參考MAXIM公司網(wǎng)站提供的DS18B20的Datasheet(英文版)。
　　1.1 DS18B20U的溫度測量時(shí)間
　　DS18B20U作為溫度傳感器。
　　1.2 DS18B20U的“一線”總線標(biāo)識序號
　　每一個(gè)DS18B20U都有一個(gè)唯一的64位的“一線”總線標(biāo)識序號，存放在DS18B20U的內(nèi)部ROM（只讀存儲器）中。開始8位是產(chǎn)品類型編碼（DS18B20編碼均為28H），接著的48位是每個(gè)器件的唯一序號，最后8位是前面56位的CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）碼。
　　1.3 DS18B20U的溫度數(shù)據(jù)表示格式
　　DS18B20U中有用于存儲測得溫度值的兩個(gè)8位寄存器，它們存儲的溫度數(shù)據(jù)由兩個(gè)字節(jié)組成，分別為LS Byte(低字節(jié))和MS Byte(高字節(jié))，MS Byte的高5位存放溫度值的符號，如果溫度為負(fù)（℃），則MS Byte的高5位全為1，否則全為0。LS Byte的8位和MS Byte的低3位用于存放溫度值的補(bǔ)碼，LSB(最低位)為0.0625℃。將寄存器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)，就得到了被測溫度值（-55℃～+125℃）。
　　1.4 DS18B20U的供電方式
　　DS18B20可以設(shè)置成兩種供電方式，即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導(dǎo)線，但由此帶來的缺點(diǎn)是完成溫度測量的時(shí)間較長；而采取外部供電方式則多用一根導(dǎo)線，但測量速度較快。注意：采用超小型μSOP封裝的DS18B20U不適合使用數(shù)據(jù)總線供電方式。
　　1.5 DS18B20U的多路同步測量
　　每一片DS18B20在其ROM中都存在唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中。
　　如圖1所示，當(dāng)主機(jī)需要對眾多在線DS18B20中的某一個(gè)進(jìn)行操作時(shí)，首先發(fā)出匹配ROM命令（命令代號55h），緊接著主機(jī)提供64位序列號（包括該DS18B20的48位序列號），之后的操作就是針對該DS18B20的。但是DS18B20的命令中允許對所有在線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一操作，利用的是跳過ROM命令（命令代號CCh）。而所謂路過ROM命令即可：之后的操作是面對總線上所有DS18B20的。命令序列先跳過ROM，啟動總線上所有DS18B20進(jìn)行溫度測量，然后通過匹配ROM再逐一地讀回每個(gè)DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。這種方式使采集的溫度數(shù)據(jù)具有很好的同步性，而且節(jié)省時(shí)間。
　　2 “一線”網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)
　　為了收集DS18B20U器件采集的溫度信息，需要控制掛接在“一線”總線網(wǎng)絡(luò)上的DS18B20U芯片，所以需要研制“一線”網(wǎng)關(guān)。“一線”網(wǎng)關(guān)的主要功能就是面對試驗(yàn)人員，把“一線”總線上的DS18B20U的信息轉(zhuǎn)換成異步串口232接口中的信息，這相當(dāng)于兩種類型網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)，因此叫做“一線”網(wǎng)關(guān)。“一線”網(wǎng)關(guān)由一個(gè)功能強(qiáng)大的8位單片機(jī)P89C668組合各種外圍芯片構(gòu)成，各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。下面介紹其設(shè)計(jì)重點(diǎn)。