單總線數(shù)字溫度傳感器的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

      單總線數(shù)字溫度傳感器的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)
    在多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)中，單總線數(shù)字溫度傳感器(例如DS18X20)因其體積小、構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。每一個(gè)數(shù)字溫度傳感器內(nèi)均有的64位序列號(hào)(8位是產(chǎn)品代碼，其后48位是器件序列號(hào)，后8位是前56位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼)，只有獲得該序列號(hào)后才可能對其進(jìn)行操作，也才能在多傳感器系統(tǒng)中將它們一一識(shí)別。實(shí)際應(yīng)用時(shí)的一般做法是：將每一個(gè)傳感器的序列號(hào)測出，以表格的形式和程序存放在一起，并且給每個(gè)測溫點(diǎn)編上號(hào)，做成標(biāo)簽粘貼在對應(yīng)的傳感器上。當(dāng)系統(tǒng)中有傳感器故障時(shí)，必須由專業(yè)人員測出備用的傳感器序列號(hào)，貼上相應(yīng)的標(biāo)簽，并在程序中修改表格，再將程序固化到程序存儲(chǔ)器中。顯然，這樣做非常不利于系統(tǒng)維護(hù)。

現(xiàn)有的單總線數(shù)字溫度傳感器的文獻(xiàn)很少涉及自動(dòng)識(shí)別序列號(hào)和排序(即與測量點(diǎn)對應(yīng))的問題，文獻(xiàn)1給出了一種方法：通過特制的編碼器，將一個(gè)傳感器的序列號(hào)讀出，并將其中48位器件序列號(hào)轉(zhuǎn)換成BCD碼，再通過手動(dòng)撥盤將測溫點(diǎn)編號(hào)撥入編碼器，與器件序列號(hào)一起寫入到傳感器內(nèi)的上下限溫度報(bào)警寄存器TH/TL中(兩個(gè)字節(jié)的EEPROM)。使用該方法，系統(tǒng)可以由運(yùn)行人員來維護(hù)，并減少維護(hù)工作量，但仍有缺點(diǎn)：需要專門的編碼器，維護(hù)工作量減少得仍不夠；必須是在TH/TL不使用的前提下。本文給出一種方法，只需在系統(tǒng)中增加一片EEPROM芯片，通過編程，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的出錯(cuò)指示、自動(dòng)識(shí)別。

二、硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)電路原理圖

圖1為系統(tǒng)電路原理圖，主要由PIC單片機(jī)PIC16C63、四位LED顯示器、鎖存器74LS373、二-四譯碼器74LS139、2KB的EEPROM存儲(chǔ)器DCM0016C、撥位開關(guān)K以及數(shù)字溫度傳感器DS18B20等組成。PIC系列單片機(jī)是一種采用精簡指令集(RISC)、哈佛(Harvard)雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性價(jià)比的8位嵌入式控制器，I/O口線直接驅(qū)動(dòng)LED，片內(nèi)有4KB的程序存儲(chǔ)器和256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器?？呻姼膶懙腄CM0016C主要用于存儲(chǔ)DS18B20的序列號(hào)。LED顯示器用于顯示各測量點(diǎn)的編號(hào)、溫度以及傳感器故障時(shí)的指示。撥位開關(guān)K在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)處于打開狀態(tài)，需要更換傳感器時(shí)將其撥至閉合位置，單片機(jī)調(diào)用相應(yīng)的子程序進(jìn)行傳感器自動(dòng)識(shí)別。圖中數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)考慮了兩種結(jié)構(gòu)：總線結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)?？偩€結(jié)構(gòu)是指在一根I/O口線上掛接若干只溫度傳感器，星型結(jié)構(gòu)則在若干根I/O口線上分別掛接若干只溫度傳感器(圖中虛線表示)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)考慮單總線的驅(qū)動(dòng)能力、布線問題，更多地是采用星型結(jié)構(gòu)，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)更容易對多個(gè)溫度傳感器進(jìn)行出錯(cuò)指示、自動(dòng)識(shí)別其序列號(hào)和排序。

三、總線結(jié)構(gòu)的傳感器識(shí)別

1、獲取序列號(hào)的ROM操作命令

操作單總線數(shù)字溫度傳感器必須嚴(yán)格按規(guī)定的協(xié)議操作，即應(yīng)按以下順序操作：初始化、ROM操作命令、暫存存儲(chǔ)器操作命令。在ROM操作命令中，有兩條命令專門用于獲取傳感器序列號(hào)：讀ROM命令(33H)和搜索ROM命令(F0H)。讀ROM命令只能在總線上僅有一個(gè)傳感器的情況下使用。搜索ROM命令則允許總線主機(jī)使用一種“消去”處理方法來識(shí)別總線上所有的傳感器序列號(hào)。搜索過程為三個(gè)步驟：讀一位，讀該位的補(bǔ)碼，寫所需位的值?？偩€主機(jī)在ROM的每一位上完成這三個(gè)步驟，在全部過程完成后，總線主機(jī)便獲得一個(gè)傳感器ROM的內(nèi)容，其他傳感器的序列號(hào)則由相應(yīng)的另外一個(gè)過程來識(shí)別。具體的搜索過程為：

(1)總線主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖進(jìn)行初始化，總線上的傳感器則發(fā)出存在脈沖做出響應(yīng)；

(2)總線主機(jī)在單總線上發(fā)出搜索ROM命令；

(3)總線主機(jī)從單總線上讀一位。每一個(gè)傳感器首先把它們各自ROM中的一位放到總線上，產(chǎn)生“線與”，總線主機(jī)讀得“線與”的結(jié)果。接著每一個(gè)傳感器把它們各自ROM中的一位的補(bǔ)碼放到總線上，總線主機(jī)再次讀得“線與”的結(jié)果?？偩€主機(jī)根據(jù)以上讀得的結(jié)果，可進(jìn)行如下判斷：結(jié)果為00表明總線上有傳感器連著，且在此數(shù)據(jù)位上它們的值發(fā)生沖突；為01表明此數(shù)據(jù)位上它們的值均為0；為10表明此數(shù)據(jù)位上它們的值均為1；11表明總線上沒有傳感器連著；

(4)總線主機(jī)將一個(gè)數(shù)值位(0或1)寫到總線上，則該位與之相符的傳感器仍連到總線上；

(5)其它位重復(fù)以上步驟，直至獲得其中一個(gè)傳感器的64位序列號(hào)。

根據(jù)以上分析，搜索ROM命令可以將總線上所有傳感器的序列號(hào)識(shí)別出來，但不能將各傳感器與測溫點(diǎn)對應(yīng)起來，即不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)識(shí)別。

2、關(guān)系表的建立

以總線上連著8個(gè)傳感器為例。系統(tǒng)中使用相同型號(hào)的傳感器，因此產(chǎn)品代碼都是一樣的，比如DS18B20為28H，可以只用一個(gè)單元存儲(chǔ)該代碼。用DCM0016C的一個(gè)單元0000H存儲(chǔ)。剩下的56位序列號(hào)用7個(gè)字節(jié)單元來存儲(chǔ)。對每個(gè)測溫點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，與存儲(chǔ)序列號(hào)的單元地址建立如表1所示的關(guān)系。

工程調(diào)試時(shí)，要設(shè)法將每個(gè)測溫點(diǎn)的傳感器序列號(hào)寫入對應(yīng)地址的單元中，即用編程方式自動(dòng)建立表1，則可實(shí)現(xiàn)傳感器的自動(dòng)尋址和排序。程序流程圖如圖2所示。

圖2 建立關(guān)系表的程序流程圖

按圖2編制的程序工作，需要按一定的要求操作：按位置編號(hào)由小到大順序插入傳感器。具體工作流程為：

（1）首先檢測總線上是否掛接了傳感器。若沒有，則四位LED顯示器顯示“0000”；有則識(shí)別傳感器的序列號(hào)。

（2）識(shí)別傳感器序列號(hào)。從0位到63位共64位二進(jìn)制數(shù)分別識(shí)別出來，若該序列號(hào)與EEPROM單元的內(nèi)容不同，說明獲得了一個(gè)新的序列號(hào)，將其存到相應(yīng)的單元中，并顯示位置編號(hào)和“PPPP”。例如，在1號(hào)位置插入一個(gè)傳感器，單總線上只掛接一個(gè)傳感器，很容易將其序列號(hào)識(shí)別出來，并存入到0001H~0007H單元中；接著在2號(hào)位置插入另一個(gè)傳感器，單總線上掛接了兩個(gè)傳感器，系統(tǒng)首先識(shí)別出一個(gè)序列號(hào)來，若與存儲(chǔ)在0001H~0007H單元的內(nèi)容相同，說明這次識(shí)別出的仍是1號(hào)傳感器的序列號(hào)，不存儲(chǔ)并接著進(jìn)行另一個(gè)過程，得到不同的序列號(hào)(即2號(hào)傳感器的序列號(hào))，將其存儲(chǔ)在0008H~000EH單元中。獲得序列號(hào)的同時(shí)也就獲得了總線上掛接傳感器的個(gè)數(shù)。

由上述知，總線上掛接多個(gè)傳感器時(shí)，若編制的程序不當(dāng)，可能同一個(gè)傳感器要被識(shí)別多次，識(shí)別時(shí)間增長。為了減少識(shí)別時(shí)間，編程時(shí)要注意“需要的位值”取值。傳感器序列號(hào)的8位為產(chǎn)品代號(hào)，“需要的位值”可按對應(yīng)的值給出，關(guān)鍵是其后的48位器件序列號(hào)的識(shí)別。這里采用了“*二叉樹”的排序思想，如圖3所示。具體思路：設(shè)在K位*發(fā)生數(shù)據(jù)位沖突，這時(shí)所有的傳感器分成兩類，即該位為1的傳感器和為0的傳感器。“需要的位值”給1，K位為1的傳感器仍掛接在總線上。若接下來K+M、K+N位發(fā)生數(shù)據(jù)位沖突，“需要的位值”仍分別給1，獲得一個(gè)序列號(hào)。下一個(gè)過程在K、K+M位“需要的位值”仍給1，但在K+N位則給0，獲得另一個(gè)傳感器的序列號(hào)。第三個(gè)過程在K位仍給1，而在K+M位給0，在這條支路上繼續(xù)識(shí)別。K位為1的傳感器的序列號(hào)識(shí)別完后，回到K位時(shí)，“需要的位值”給0，按同樣的方法識(shí)別該支路的傳感器序列號(hào)。按此思路，多個(gè)傳感器的序列號(hào)只需要分別識(shí)別一次。

3、出錯(cuò)指示

建立關(guān)系表后，編制好程序，系統(tǒng)可投入運(yùn)行。讀取每個(gè)測溫點(diǎn)的溫度時(shí)，需要用到“符合”ROM命令，該命令要求將關(guān)系表中的序列號(hào)取出送到總線上，只有序列號(hào)與之相符的傳感器才掛接在總線上，可讀取其溫度。若相應(yīng)的傳感器出錯(cuò)，顯然不會(huì)有序列號(hào)與之相符的傳感器，這時(shí)顯示器顯示位置編號(hào)和“FFFF”，表明該測溫點(diǎn)的傳感器出錯(cuò)。

圖3 *二叉樹

4、更換傳感器后的自動(dòng)識(shí)別

給8個(gè)傳感器建立臨時(shí)關(guān)系表，占用EEPROM存儲(chǔ)單元地址范圍為：0039H~0070H，將更換后傳感器的序列號(hào)存入這些單元中。當(dāng)只有一個(gè)傳感器出錯(cuò)時(shí)，臨時(shí)關(guān)系表中的序列號(hào)與關(guān)系表的序列號(hào)比較，只有一個(gè)號(hào)不同，用該號(hào)取代前文所述的關(guān)系表中序列號(hào)，即存入對應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，便完成了更換傳感器后的自動(dòng)識(shí)別。有兩個(gè)及以上傳感器出錯(cuò)時(shí)，若同時(shí)將這些傳感器更換掉，則它們的序列號(hào)同時(shí)進(jìn)入臨時(shí)關(guān)系表，將無法進(jìn)行排序，因此更換傳感器時(shí)也要按一定的順序進(jìn)行：只能一個(gè)一個(gè)更換，且位置編號(hào)小的先更換；更換一個(gè)傳感器，顯示器顯示位置編號(hào)和“PPPP”后，再更換下一個(gè)傳感器。實(shí)現(xiàn)該功能的子程序主要流程：(1)建立臨時(shí)關(guān)系表；(2)臨時(shí)關(guān)系表的內(nèi)容與關(guān)系表比較。建立臨時(shí)關(guān)系表子程序與建立關(guān)系表的程序基本一樣，主要是存儲(chǔ)單元地址不同。建立該表的同時(shí)也就獲得了總線上掛接的傳感器數(shù)，該數(shù)據(jù)決定兩個(gè)表的比較次數(shù)。

5、星型結(jié)構(gòu)的傳感器識(shí)別

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，如圖1所示，RA0、RA1、RA2、RA3、RA4、RA5、RC0為七根單總線，分別掛接若干個(gè)傳感器，以掛接8個(gè)為例，建立表2所示的關(guān)系表。

因?yàn)楦鲉慰偩€分別操作，它們的編程及操作和上述單總線差不多，此處不再詳述。采用星型結(jié)構(gòu)有一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)七根總線上分別只有一個(gè)傳感器出錯(cuò)，按上述編程思想，可以同時(shí)更換七個(gè)傳感器，有利于系統(tǒng)維護(hù)，工作量相應(yīng)減少。

綜上所述，用簡單的硬件以及編程方法自動(dòng)建立關(guān)系表，在單總線多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字溫度傳感器的出錯(cuò)指示、自動(dòng)識(shí)別，大大有利于系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)，減少維護(hù)工作量，并解決了過去維護(hù)工作必須由專業(yè)人員來完成，而不是由運(yùn)行人員來完成的不便。