基于ARM和DS18B20的數(shù)字測(cè)溫系統(tǒng)

　　熱誤差是數(shù)控機(jī)床的最大誤差源，數(shù)控機(jī)床的溫度測(cè)試為機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償提供依據(jù)。傳統(tǒng)的測(cè)溫方案是將模擬信號(hào)通過電纜遠(yuǎn)距離傳輸至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并處理，實(shí)用中必須解決長(zhǎng)線傳輸和模擬量傳感器布線等問題。本文介紹了一種新型的設(shè)計(jì)方案，控制器采用SAMSUNG公司的32位ARM微控制器S3C44BOX，溫度傳感器采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。采用數(shù)字溫度傳感器即在測(cè)試點(diǎn)完成了信號(hào)的數(shù)字化，提高了傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)簡(jiǎn)化了外圍電路，也便于傳感器在機(jī)床上的布置安裝。ARM處理器控制數(shù)字溫度信號(hào)的采集，并與上位PC機(jī)通訊，同時(shí)其他硬件資源提供熱補(bǔ)償系統(tǒng)其他功能。本文在介紹數(shù)字溫度傳感器DS18B20的基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵點(diǎn)做了詳盡的注釋說明。

　　1 數(shù)字溫度傳感器DS18B20介紹

　　1.1 DS18B20的結(jié)構(gòu)

　　DS18B20是美國(guó)DALLAS公司推出的一種可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器。DS18B20只有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入/輸出口，是單總線專用芯片。DS18B20工作時(shí)，被測(cè)溫度值直接以單總線的數(shù)字方式傳輸。

　　DS18B20體積小，電壓適用范圍寬（3V-5V），可以通過編程實(shí)現(xiàn)9～12位的溫度讀數(shù)，即有可調(diào)的溫度分辨率。測(cè)溫范圍－55℃～＋125℃，在－10℃～＋85℃時(shí)，精度為±0.5℃。其可選封裝有TO-92、SOIC及CSP封裝。

　　每個(gè)DS18B20出廠時(shí)都有一個(gè)唯一的64位序列號(hào)，因此一條總線上可以同時(shí)掛接多個(gè)DS18B20而不會(huì)出現(xiàn)混亂。

　　DS18B20包括一個(gè)暫存RAM和一個(gè)E2RAM。暫存存儲(chǔ)器RAM用于存放工作參數(shù)和測(cè)量值，其作用是保證在單線通訊時(shí)的完整性，包括8個(gè)字節(jié)。E2RAM用于設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限值TH和TL（調(diào)電后依然保存）。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　頭兩個(gè)字節(jié)表示測(cè)得的溫度讀數(shù)，數(shù)據(jù)格式如圖2所示：

　　S=1時(shí)表示溫度為負(fù)，S=0時(shí)表示溫度為正，其余低位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示，最低位為1，表示0.0625℃內(nèi)部存儲(chǔ)器的第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器，主要用于溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。

　　1.2 DS18B20的工作時(shí)序

　　DS18B20嚴(yán)格遵循單總線協(xié)議，工作時(shí)，主機(jī)先發(fā)一復(fù)位脈沖，使總線上的所有DS18B20都被復(fù)位，接著發(fā)送ROM操作指令，使序列號(hào)編碼匹配的DS18B20被激活，準(zhǔn)備接受下面的RAM訪問指令。RAM訪問指令控制選中的DS18B20工作狀態(tài)，完成整個(gè)溫度轉(zhuǎn)換，讀取等工作。在ROM命令發(fā)送之前,RAM命令命令不起作用。表1列出了所有操作命令。

　　整個(gè)操作主要包括三個(gè)關(guān)鍵過程：主機(jī)搜索DS18B20序列號(hào)、啟動(dòng)在線DS18B20做溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度值。

　　其工作流程如圖3：

　　DS18B20對(duì)時(shí)序及電特性參數(shù)要求較高，必須嚴(yán)格按照DS18B20的時(shí)序要求去操作。它的數(shù)據(jù)讀寫主要由主機(jī)讀寫特定的時(shí)間片來完成，包括復(fù)位（初始化）、讀時(shí)間片和寫時(shí)間片。

　　（1） 復(fù)位時(shí)序

　　使用DS18B20時(shí),首先需將其復(fù)位,然后才能執(zhí)行其它命令。復(fù)位時(shí),主機(jī)將數(shù)據(jù)線拉為低電平并保持480μｓ～960μｓ,然后釋放數(shù)據(jù)線,再由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉高15～60μｓ,等待DS18B20發(fā)出存在脈沖,存在脈沖有效時(shí)間為60～240μｓ，這樣，就完成了復(fù)位操作。其復(fù)位時(shí)序如圖4所示。

　?。?） “寫”時(shí)序

　　在主機(jī)對(duì)DS18B20寫數(shù)據(jù)時(shí),先將數(shù)據(jù)線置為高電平,再變?yōu)榈碗娖?該低電平應(yīng)大于1μｓ。在數(shù)據(jù)線變?yōu)榈碗娖胶?5μｓ內(nèi),根據(jù)寫“1”或?qū)憽?”使數(shù)據(jù)線變高或繼續(xù)為低。DS18B20將在數(shù)據(jù)線變成低電平后15μｓ～60μｓ內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。要求寫入DS18B20的數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于60μｓ而小于120μｓ,兩次寫數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔應(yīng)大于1μｓ。寫時(shí)隙的時(shí)序如圖5所示?！白x”時(shí)序機(jī)理類似，不再贅述。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　我們采用的控制器是SAMSUNG公司的32位ARM微控制器S3C44BOX，是三星公司為一般應(yīng)用提供的高性價(jià)比和高性能的微控制器的解決方案，功耗小，可靠性高。它使用ARM7TDMI核，工作在66MHz。采用的該ARM控制器將服務(wù)于整個(gè)熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，完成包括數(shù)據(jù)處理與通訊、控制等多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。機(jī)床測(cè)溫系統(tǒng)只使用小部分片上資源。

　　我們主要通過對(duì)I/O引腳的電平讀寫來完成單總線的通訊，采用ARM內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生中斷來完成有時(shí)隙要求的工作。由于我們通過預(yù)分頻后產(chǎn)生的計(jì)時(shí)值單位達(dá)到1μｓ，完全能夠滿足時(shí)序工作的需要。

　　DS18B20與控制器的接口及其簡(jiǎn)單，只需將DS18B20的信號(hào)線與控制器的一位雙向端口連接即可。系統(tǒng)連接如圖6所示：

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　遵循DS18B20單總線通訊協(xié)議，溫度轉(zhuǎn)換與讀取工作的軟件流程可表示為圖7（該流程是在已經(jīng)選中激活某個(gè)選中的DS18B20以后，選中激活流程軟件原理類似，此處省略）。

　　可見，與DS18B20進(jìn)行通訊主要完成以下三個(gè)基本子程序：初始化程序（復(fù)位程序）、‘讀’子程序，‘寫’子程序。系統(tǒng)采用 C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，以下是初始化（復(fù)位）子程序，設(shè)計(jì)如下：

　　調(diào)用該初始化程序就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位要求?！白x”子程序、“寫”子程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)制類似，代碼不再贅述。在單總線協(xié)議下，通過調(diào)用這幾個(gè)子程序進(jìn)行相應(yīng)的控制，就能完成主機(jī)與DS18B20的通訊，實(shí)現(xiàn)溫度的采集。

　　3 結(jié)論

　　本系統(tǒng)接口電路簡(jiǎn)單，通訊可靠，集成后的系統(tǒng)運(yùn)行良好，測(cè)試精度高，試驗(yàn)證明能完成預(yù)定測(cè)試任務(wù)。