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1 概述 在數(shù)字化測控系統(tǒng)中,由于單總線微網(wǎng)僅使用1根導(dǎo)線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳送,并同時(shí)為遠(yuǎn)端器件提供電源,既降低了測控系統(tǒng)的硬件成本,又提高了系統(tǒng)的可靠性,因而是有著廣泛應(yīng)用前景的現(xiàn)場總線技術(shù)。但是,由于單總線微網(wǎng)一方面要傳送數(shù)據(jù), 另一方面還要向單總線器件提供電源,這必然造成單總線上供電電源電壓的波動(dòng);而測控系統(tǒng)中所使用的傳感器元件,其輸出值不僅正比于被測量,而且往往還與供電電源的電壓值有關(guān),因此,為了保證傳證傳感器的測量精度,就必須進(jìn)行相應(yīng)的電壓校正。另外,傳感器的輸出值往往還受環(huán)境溫度的影響,也必須進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。 上述問題如果采用基于單總線的普通A/D轉(zhuǎn)換器件予以解決,會(huì)使相應(yīng)的硬件電路及軟件編程過于復(fù)雜。這里利用Dallas 公司的單總線器件DS2438,巧妙地解決了上述問題。下面首先介紹該器件,并重點(diǎn)介紹該器件與測控系統(tǒng)相關(guān)的功能。 DS2438 是Dallas公司推出的智能電池監(jiān)視器。該器件是為了解決便攜式電子產(chǎn)品電池工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測而推出的,主要性能特點(diǎn)如下： ① 單總線器件,僅需1根口線實(shí)現(xiàn)電源及雙向數(shù)據(jù)傳輸; ②片內(nèi)13位精度溫度傳感器,最小分辨率0.031 25℃; ③片內(nèi)10位二通道電壓A/D轉(zhuǎn)換器,最小分辨率為10mV; ④片內(nèi)10位電流A/D轉(zhuǎn)換器; ⑤片內(nèi)40 字節(jié)非易失性用戶存儲(chǔ)器; ⑥片內(nèi)逝去時(shí)間計(jì)數(shù)器,完成充放電時(shí)間計(jì)時(shí); ⑦單電源工作,低功耗特性; ⑧工作溫度范圍為-40℃～+80℃。 DS2438采用SOIC表面貼裝封裝形式,其外形及引腳排列如圖1所示,引腳功能說明見表1。 
表 1 DS2438引腳功能說明 引腳號 引腳名稱 說 明 1 GND 接地 2 VSENS+ 電源電流監(jiān)視輸入（+） 3 VSENS- 電池電流監(jiān)視輸入（-） 4 VAD 通用A/D輸入端 5 VDD 供電電壓（2.4～10V） 6,7 NC 空引腳 8 DQ 數(shù)據(jù)輸入/輸出、1線操作、開漏 2 工作原理 DS2438的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
由圖2可知,DS2438由單總線接口、電壓A/D轉(zhuǎn)換器、電流A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、時(shí)鐘電路、40字節(jié)的E2PROM及與上述硬件相關(guān)的寄存器組成。其中的電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入,可編程為由VDD電源端輸入或VAD輸入端輸入,以滿足VDD電源端及外部輸入模擬量VAD的測量要求。 2.1 器件存儲(chǔ)單元 DS2438存儲(chǔ)器類型包括易失性的SRAM和非易失性的E2PROM。 DS2438內(nèi)部的存儲(chǔ)器為一個(gè)總?cè)萘?4字節(jié)的存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器被分為8頁,每頁8字節(jié),頁地址為00～07H。其中第00頁是訪問頻率最高的頁,該頁的結(jié)構(gòu)如表2所列。 表2 DS2438存儲(chǔ)器第00頁結(jié)構(gòu) 字節(jié)序號 名 稱 內(nèi) 容 讀/寫特性 易失特性 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 狀態(tài)/配置寄存器 X ADB NV TB AD EE CA IAD 讀 非易失 1 溫度低位寄存器 2 -1 2 -2 2 -3 2 -4 2 -5 0 0 0 讀 非易失 2 濕度高位寄存器 S 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 讀 非易失 3 電壓低位寄存器 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 讀 非易失 4 電壓高位寄存器 0 0 0 0 0 0 2 9 2 8 讀 非易失 5 電流低位寄存器 0 0 0 0 0 0 2 9 2 8 讀 非易失 6 電流高位寄存器 S S S S S S S 2 8 讀 非易失 7 閾值寄存器 TH2 TH1 0 0 0 0 0 0 讀/ 寫 易失 第1頁為電流累加器、逝去時(shí)間計(jì)數(shù)器和電流補(bǔ)償單元;每2頁包括非易失性時(shí)間和充電時(shí)間標(biāo)記;第3～7頁是40字節(jié)的提供給用戶使用的 E2PROM,可用于保存用戶數(shù)據(jù)。 2.2 寄存器 DS2438所有的寄存器都映射到上述的存儲(chǔ)器中,同時(shí)對 DS2438的操作都是通過寄存器進(jìn)行的。 （1）狀態(tài)寄存器 狀態(tài)寄存器位于存儲(chǔ)器00頁的第0字節(jié),該寄存器用于DS2438的功能控制,其中各位的默認(rèn)值為1,含義如下： *IAD為電流A/D控制位。IAD=1,啟用電流A/D和ICA, 且以32Hz速率測量電流;IAD=0,禁用電流A/D和ICA。 *CA為電流累加器配置位。CA=1,啟用CCA/DCA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)且可從第7頁恢復(fù)數(shù)據(jù);CA=0,禁用CCA/DCA,第7頁可用于普通E2PROM存儲(chǔ)。 *EE為隱蔽電流累加器位。 EE=1,將CCA/DCA計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)隱蔽到E2PROM,電量每增加0.32C,當(dāng)前計(jì)數(shù)器加1;EE=0,CCA/DCA計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)將不隱蔽到 E2PROM。 *AD為電壓A/D輸入選擇位。AD=1,電壓A/D選擇由VDD端輸入;AD=0,電壓A/D選擇由VAD端輸入。 *TB為溫度轉(zhuǎn)換忙標(biāo)志位。TB=1,溫度轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行;TB=0,溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束。 *NVB為非易失存儲(chǔ)忙標(biāo)志位。NVB=1,在從可擦除區(qū)復(fù)制到E2PROM的存儲(chǔ)過程中;NVB=0,非易失存儲(chǔ)空閑狀態(tài)。一次E2PROM存儲(chǔ)占用2～10ms。 *ADB為A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志位,ADB=1,電壓A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行;ADB=0,轉(zhuǎn)換結(jié)束或無測量。一次A/D轉(zhuǎn)換占用約10ms。 *X為不定位。 （2）溫度寄存器 DS2438可在-55～+125℃范圍內(nèi)以0.031 25℃的分辨率測量溫度值,溫度值為2的碼形式通過2字節(jié)溫度寄存器輸出。其中符號位S指示溫度值為正或負(fù);S=0,溫度值為正;S=1,溫度值為負(fù)。 （3）電壓寄存器 DS2438的電壓輸入范圍是0～10V,且電壓ADC的輸入,可通過狀態(tài)/結(jié)構(gòu)寄存器的AD位來選擇由VDD輸入或由VAD輸入。電壓A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果放在2字節(jié)電壓寄存器中,單位為mV。 （4）電流寄存器 DS2438通過測量電流取樣電阻RSENS兩端的電壓來間接測量流過電池的電流。采用10位ADC,其分辨率為0.005C,電流測量值的結(jié)果放在2字節(jié)的電流寄存器中其中電流測量符號位S,用于指示充電或放電。 2.3 單總線協(xié)議 DS2438是Dallas公司基于單總線的器件。該器件的操作完全遵循單總線協(xié)議,其ROM命令有4個(gè)。 ①讀ROM[33H]; ②匹配 ROM[55H]; ③跳過ROM[F0H]。 主機(jī)在操作DS2348之前,必須先發(fā)送上述4個(gè)ROM命令中的一個(gè)。在DS2438成功執(zhí)行上述命令之后,主機(jī)可使用下面的內(nèi)存命令操作DS2438。 由于DS2438的內(nèi)存分為7頁,故其內(nèi)存操作命令和其它的單總線器件略有不同。DS2438的內(nèi)存操作命令如下： ①寫高速暫存存儲(chǔ)器[4EHXXH]; ②讀高速暫存存儲(chǔ)器[BEHXXH]; ③讀制高速暫存存儲(chǔ)器[48HXX]; ④恢復(fù)存儲(chǔ)器 [B8HXXH]; ⑤溫度轉(zhuǎn)換命令[44H]; ⑥電壓轉(zhuǎn)換命令[B4H]。 上述內(nèi)存命令中的XXH為高速暫存存儲(chǔ)器的頁地址,有效的頁碼地址為00～07H。 DS2438對高速暫存存儲(chǔ)器的操作中,除了基本的命令外,還必須將等操作的高暫存存儲(chǔ)器的頁地址送出去。DS2438允許1次讀/寫1頁內(nèi)的全部8個(gè)字節(jié),且讀寫字節(jié)操作可使用復(fù)位命令在任何瞬間終止。 值得注意的是,DS2438的溫度轉(zhuǎn)換命令及電壓轉(zhuǎn)換命令發(fā)出后,主機(jī)需等待10～20ms,以使DS2438完成溫度及電壓轉(zhuǎn)換;同時(shí), 若采用寄生電源供電,應(yīng)將總線拉高,以保證充足的能量供應(yīng)。 3 DS2438在單總線微網(wǎng)中的應(yīng)用 下面給出將DS2438應(yīng)用于單總線微網(wǎng)的具體實(shí)例：單總線溫度傳感器設(shè)計(jì)。溫度的測量在倉儲(chǔ)檢測、生產(chǎn)制造及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用, 但濕度的測量卻較困難。原因是溫度傳感器大都為模擬小信號輸出,且在線性度、重復(fù)性、一致性等方面不盡如意。如果能夠利用現(xiàn)有的模擬濕度傳感器,設(shè)計(jì)出基于單總線的數(shù)字式濕度傳感器,則可配合單總線微網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成全數(shù)字化的多點(diǎn)溫濕度測量系統(tǒng),如數(shù)字化糧情檢測、數(shù)字化倉儲(chǔ)檢測系統(tǒng)等。即可降低系統(tǒng)布線費(fèi)用,又可提高系統(tǒng)性能,因而具有非常不定期實(shí)的意義。這里,利用模擬大信號相對濕度傳感器并配合DS2438,設(shè)計(jì)出一種完全符合單總線協(xié)議的濕度傳感器（電路參見圖4）。
3.1 濕度傳感器 由于單總線微網(wǎng)采用寄存電源的方式向單總線器件供電,因此, 要求掛接在單總線微網(wǎng)上的器件必須滿足低功耗的要求。這里,選用了具有低功耗特性的模擬大信號濕度傳感器HIH-3610。HIH-3610是美國 Honeywell公司生產(chǎn)的相對濕度傳感器。該傳器采用熱固聚酯電容式傳感頭,同時(shí)在內(nèi)部集成了信號處理功能電路,因此,可完成將相對濕度值變換成電容值,再將電容傳轉(zhuǎn)換成線性的電壓輸出。同時(shí)該傳感器還具精度高、響應(yīng)快速、高穩(wěn)定性、低溫漂、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)及互換性好等優(yōu)點(diǎn),其性能指標(biāo)如表3所列, 輸出電壓與相對濕度的關(guān)系曲線如圖3所示。
表 3 HIH-3610濕度傳感器性能指標(biāo) 參 數(shù)指 標(biāo) RH精度±2%RH，0～100%RH非凝結(jié)，25℃(DC供電電壓=5V) RH互換性±5%RH，0～60%RH;±8%@90%RH RH線懷±0.5%RH典型值 RH遲滯±1.2%的RH最大量程 RH重復(fù)性0.5%RH RH反應(yīng)時(shí)間/s30(慢流動(dòng)的空氣中，1/e@25℃) RH穩(wěn)定性±1%RH典型值，50%RH，5年時(shí)間內(nèi) DC供電電壓/V4～9(傳感器在DC5V下標(biāo)定) 消耗電流/mA0.2(DC 5V);2(典型值，DC9V) 輸出電壓Vout=Vsuppl[0.0062(sensor%RH)+0.16] 溫度補(bǔ)償RH(sensor%RH)/(1.0546-0.0216t) 由性能指標(biāo)及輸出電壓與相對濕度的關(guān)系曲線，可得出如下結(jié)論。 ①HIH-3610在供電電壓為5V時(shí)，其消耗電流僅為200μA，完全可滿足單總線微網(wǎng)對器件低功耗的要求。 ②HIH-3610輸出電壓為Vout=Vsupply[0.0062(sensor%RH)+0.16]即輸出電壓Vout不僅正比于濕度測量值，且與電源電壓值Vsupply圾關(guān)。若Vsupply固定為5V，則其值僅由相對濕度值決定，但由于單總線上的供電電壓值為變量，故要求在進(jìn)行濕度測量的同時(shí)還應(yīng)測量電源電壓Vsupply的值。 ③HIH-3610輸出的濕度值還與環(huán)境溫度有關(guān)，故應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為RH=(sensor%RH)/1.0546-0.0216t 因此，為得到準(zhǔn)確的濕度測量值，還應(yīng)在測量濕度的同時(shí)測量環(huán)境濕度和單總線供電電壓值。 3.2 DS2438與傳感器接口 本系統(tǒng)中利用DS2438來同時(shí)完成對環(huán)境溫度的測量、單總線電源電壓的測量及濕度傳感器輸出電壓值的測量。由圖4可知，為了滿足寄生電源工作的要求，為傳感器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電源電路。電源電路由VD1、VD2及電容C1構(gòu)成。其中二極管VD2和電容C1構(gòu)成半波整流電路，在總線空閑時(shí)為 DS2438和HIH-3610供電。DS2438的5腳VDD端的電位即是HIH-3610的電源電壓。通過編程DS2438內(nèi)部的狀態(tài)/結(jié)構(gòu)寄存器的 “AD”位，使二通道電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入選擇為VDD端，可完成HIH-3610電源電壓測量功能。通過編程狀態(tài)/結(jié)構(gòu)寄存器的“AD”位，使二通道電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入選擇為VAD端，即HIH-3610的濕度電壓值輸出端可完成濕度值測量功能，環(huán)境溫度的測量可由DS2438內(nèi)部的濕度傳感器完成，因此，使用1片DS2438即可完成濕度值的測量，并可由相應(yīng)的軟件算法實(shí)現(xiàn)電源電壓的校正及環(huán)境溫度補(bǔ)償。 3.3 單片機(jī)與傳感器的接口 單片機(jī)與單總線濕度傳感器的接口電路如圖4所示。 圖4 單總線濕度傳感器及與單片機(jī)的接口 點(diǎn)擊放大 單片機(jī)選用AT89C52單片機(jī)。這里利用單片機(jī)的P1.0口線作為單總線接口;單總線濕度傳感器采用寄存電源供電方式;P1.0口線外接一只 4.7kΩ的上拉電阻，可在總線空閑時(shí)向濕度傳感器提供能量。 3.4 軟件編程 網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版(http://www.dpj.com.cn)中，給出單總線濕度傳感器相關(guān)的數(shù)據(jù)采集程序，包括讀濕度測量值、讀單總線供電電壓值及讀濕度值子程序。 結(jié)語 由DS2438構(gòu)成的單總線數(shù)字式濕度傳感器，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，與單總線微網(wǎng)的連接也十分簡單;可輕松構(gòu)成多點(diǎn)數(shù)字式濕溫度監(jiān)測系統(tǒng)，因而 DS2438在類似的單總線微網(wǎng)測控系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。 |
