基于ARM7和數(shù)字溫度傳感器的多點測溫系統(tǒng)設(shè)計
0 引言
溫度檢測是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和**生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)的溫度檢測是基于模擬傳感，模擬信號易受干擾，不穩(wěn)定，價格高，體積大。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由單片集成電路構(gòu)成的溫度傳感器的種類越來越多，測量的精度越來越高，數(shù)字溫度傳感器具有價格低、高精度、適用微型封裝、能工作在寬溫度范圍內(nèi)等優(yōu)點。在很多應(yīng)用中，數(shù)字溫度傳感器正開始替代傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，如DSl8B20、DS18B21和DS16B20等。本文提出了一種基于DSl8B20數(shù)字化傳感器的溫度采集系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
多點測溫系統(tǒng)通過鍵盤設(shè)置，利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測不同環(huán)境、不同要求下的個點或多點的溫度，然后LPC2114讀取溫度值,通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機，在上位機的顯示界面上顯示，以提示相關(guān)人員對所檢測的環(huán)境作出相應(yīng)措施。
本系統(tǒng)分為ARM處理器模塊、LCD顯示鍵盤設(shè)置模塊、n個DS18B20組成的測溫模塊、USB 通行模塊組成。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。
1.1 LPC2114處理器模塊
ARM處理器包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Intel的Xscale、StrongARM等幾個系列[1]?？偣灿?span lang="EN-US">30家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、SONY、PHILIPS和國家半導(dǎo)體這樣的大公司[2]。
本系統(tǒng)選用Philips公司的ARM7TDMI-S核ARM微處理器LPC2114。這款處理器由較小的64引腳了LQFP封裝，極低的功耗和極小的體積。它具有16KB靜態(tài)RAM、128KB片內(nèi)Flash、4路10位ADC、多個內(nèi)部中斷、2個32位定時器、6路輸出的PWM單元等片上資源，所以特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)等。本設(shè)計選用它，能夠滿足小型化、低功耗、低成本的要求。
1.2 溫度檢測模塊
DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、高低溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器[3]。與其它溫度傳感器相比，它具有以下特性：
（1）具有3引腳TO－92小體積封裝形式；
（2）溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；
（3）其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；
（4） 多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點溫度檢測系統(tǒng)。
1.3 鍵盤設(shè)置模塊
DS18B20 具有一個配置寄存器，為了滿足測溫的靈活性以及出于**性的考慮，需要在不同的場合根據(jù)不同的需要對這幾個寄存器進行配置。R1、R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1R0=“00”，9位精度，*大轉(zhuǎn)換時間為93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，*大轉(zhuǎn)換時間為187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，*大轉(zhuǎn)換時間為375ms；R1R0=“11”，12位精度，*大轉(zhuǎn)換時間為750ms；未編程時默認(rèn)為12位精度?？梢愿鶕?jù)不同的情況的要求通過鍵盤操作來改變精度的位數(shù)，以求得在準(zhǔn)確度和轉(zhuǎn)換速度之間的一個折中點。
DS18B20還具有兩個8位的高低溫報警寄存器TH和TL。通過設(shè)置報警的臨界值確定被測對象是否在要求的溫度范圍內(nèi)，如果超出了警戒溫度則及時提醒操作者進行適當(dāng)?shù)牟僮鳌?span lang="EN-US">
以上所有這些配置都可以通過8位鍵盤來操作，包括兩位數(shù)的精度設(shè)置、3位數(shù)高低溫警戒溫度值得設(shè)定和報警標(biāo)志的開關(guān)。鍵值功能表見表1。
表1 8位鍵值功能表
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1
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2
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3
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4
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8
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多點采集
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單點采集
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配置
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確認(rèn)
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百位
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十位
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個位
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報警開/關(guān)
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因為對顯示界面要求不高，可用128×64點陣的中文液晶顯示器來提供，包括當(dāng)前精度設(shè)置、警戒溫度上下限值以及國警戒溫度的開關(guān)。如果是單點溫度采集，則顯示該點的通道號以及該通道的當(dāng)前溫度值。軟件部分還通過液晶顯示器向用戶提供界面友好的中文向?qū)硪龑?dǎo)用戶一步步進行正確的操作[4]。
1.4 USB通信模塊
P0.31 1
P1.28 27
P1.24 8
P1.30 3
P1.29 4
P1.23 15
P1.22 16
P1.21 17
P1.20 18
P1.19 19
P1.18 20
P1.17 21
P1.16 22
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D+
D-
A0
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
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CH375是南京沁恒研發(fā)的一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式[5]。全速USB-HOST主機接口，兼容USB2.0，在本地端，具有8位數(shù)據(jù)總線，讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到LPC2114系統(tǒng)總線上。外圍元器件只需晶體和電容，支持5V電源電壓和3.3V電源電壓。主機端點輸入和輸出緩沖區(qū)各64字節(jié)，支持常用的12Mbps全速USB設(shè)備及控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。自動檢測USB設(shè)備的連接和斷開，提供設(shè)備連接和斷開的時間通知。內(nèi)置控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡化常用的控制傳輸。內(nèi)置固件處理Mass-Storage海量存儲設(shè)備的專用通信協(xié)議固件，支持Bulk-Only傳輸協(xié)議，SCSI、UFI、RBC或等效命令集的USB存儲設(shè)備（包括USB硬盤/USB閃存盤/U盤），方便將測試數(shù)據(jù)存儲在U盤等海量存儲設(shè)備上。同樣，通過LPC2114的P1[16：31]模擬總線方式，模擬出讀/寫時序，實現(xiàn)與上位機數(shù)據(jù)的高速傳輸。CH375支持USB的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。出于即時性考慮，本系統(tǒng)采用中斷傳輸方式。LPC2114實現(xiàn)USB總線見圖2。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
多點測溫系統(tǒng)的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括三個面：先移植嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng) C/OS-Ⅱ，然后就是采集溫度參數(shù)設(shè)置、DS18B20操作，*后就是LPC2114與上位機通信接口USB的驅(qū)動及上位機中多路溫度顯示界面。
2.1 移植 C/OS-Ⅱ內(nèi)核
C/OS-Ⅱ是一個完整的，可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核[6]。 C/OS-Ⅱ是用ANSI的C語言編寫的，包含一個小部分匯編語言代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器是用。目前，它已經(jīng)在幾十種從8位到64位的微處理器上實現(xiàn)了成功的移植。
由于設(shè)計 C/OS-Ⅱ時就考慮到了在不同處理器上移植，因而移植 C/OS-Ⅱ?qū)嶋H上需要修改的代碼量很小。由于篇幅的限制， C/OS-Ⅱ在LPC2114上的移植方法和過程，見參考文獻[2]。
2.2 DS18B20測溫軟件設(shè)計
每一個DS18B20在其ROM中都存在有其**的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中。主機在進入操作程序前必須用讀ROM（33H）命令將該DS18B20的序列號讀出。
當(dāng)主機需要對眾多在線DS18B20的某一個進行操作時，首先要發(fā)出匹配ROM（55H）。接著主機提供64位序列（包括該DS18B20的48位序列號），之后的操作就是針對該DS18B20的。
在DS18B20組成的多點測溫系統(tǒng)中，主機在發(fā)出跳ROM命令之后，再發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉(zhuǎn)換啟動碼44H，就可以實現(xiàn)所有DS18B20的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過1s后就可以用很少的時間去逐一讀回每個DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。。這種方式使其時間值往往小于傳統(tǒng)方式。
由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴(yán)
格的保證讀寫的時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。因此，對DS18B20 操作部分采用匯編語言來實現(xiàn)。初始化流程見圖3。
本系統(tǒng)可經(jīng)過設(shè)置模塊來設(shè)置不同要求的測溫方式，根據(jù)前面定義的鍵盤設(shè)置模塊可知，可以實現(xiàn)單點測溫和多點測溫。兩種方式**不同就是ARM向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令和讀取溫度寄存器之前，單點溫度檢測要首先發(fā)送匹配命令55H，然后是選定通道DS18B20的ROM號；而多點測溫只要發(fā)送略過ROM命令CCH即可。對第n通道進行溫度檢測，讀取并存儲溫度值。多點溫度讀取轉(zhuǎn)換流程見圖4。
總線變低，檢測DS18B20響應(yīng)結(jié)束信號
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LPC2114向所有DS18B20
發(fā)送復(fù)位命令
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延時1s（等待全部溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束）
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LPC2114向所有DS18B20發(fā)送復(fù)位命令
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2.3 USB驅(qū)動軟件設(shè)計
當(dāng)溫度采集后，要通過USB接口傳到上位機，其中CH375與微處理器的接口通過固化在Flash中的固件程序（Firmare）來完成的。Firmare是USB和用戶代碼之間的接口。本次USB接口芯片的固件設(shè)計成完全的中斷驅(qū)動，以保持響應(yīng)得實時性。
上位機應(yīng)用層發(fā)送主動請求給LPC2114，被動應(yīng)答是指在LPC2114收到數(shù)據(jù)請求后，上傳給上位機應(yīng)用層的應(yīng)答數(shù)據(jù)。所有的通訊都由上位機應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到LPC2114的應(yīng)答結(jié)束，完整的過程包括：① 上位機將數(shù)據(jù)請求發(fā)送給CH375 芯片；② CH375 芯片以中斷方式通知LPC2114；③ LPC2114進入中斷服務(wù)程序，獲取CH375 的中斷狀態(tài)并分析；④ 如果是上傳，則釋放當(dāng)前USB 緩沖區(qū)，然后退出中斷程序；⑤ 如果是下傳，則從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)塊；⑥ 分析接收到的數(shù)據(jù)塊，準(zhǔn)備應(yīng)答數(shù)據(jù)，也可以先退出中斷程序再處理；⑦ LPC2114將應(yīng)答數(shù)據(jù)寫入批量端點的上傳緩沖區(qū)中，然后退出中斷程序；⑧ CH375 芯片將應(yīng)答數(shù)據(jù)返回給上位機；⑨ 上位機接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)。
圖5 USB驅(qū)動程序的分層結(jié)構(gòu)
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設(shè)備驅(qū)動程序就是控制硬件設(shè)備的一組函數(shù)。WDM(Win32 Driver Model)是Microsoft公司力推的全新的驅(qū)動程序模式，它的應(yīng)用平臺是Windows 98/Me/2000操作系統(tǒng)[7].
雖然Windows2000提供有多種通用的USB驅(qū)動程序，但并不滿足本嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計需求，因此本系統(tǒng)采用Windows DDK(Device Driver Kit)開發(fā)工具，開發(fā)了基于WDM模型的USB設(shè)備功能驅(qū)動程序[8]。
運行在核心態(tài)的USB驅(qū)動程序是基于WIN32驅(qū)動程序模型WDM(Windows Driver Model）的，它采用分層驅(qū)動程序模型，由USB總線驅(qū)動程序和USB功能驅(qū)動程序兩部分組成，總線驅(qū)動程序由操作系統(tǒng)提供，只需編寫相應(yīng)的功能驅(qū)動程序即可。
本功能驅(qū)動程序主要由四個模塊組成：初始化模塊、I/O模塊、即插即用管理模塊和電源管理模塊。另外，還有一個.INF文件用于驅(qū)動程序的安裝, INF文件含有安裝一個WDM設(shè)備驅(qū)動程序需要的所有必要的信息，包括要復(fù)制的文件列表、要創(chuàng)建的注冊表項、設(shè)備的ID和兼容ID等。USB驅(qū)動程序的分層結(jié)構(gòu)見圖5。
3 結(jié)束語
將n個DS18S20構(gòu)建成一個多點測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)了多點溫度測量，其轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強，實時性好，使用時無需標(biāo)定和測試；與LPC2114的接口簡單，可方便地實現(xiàn)多點組網(wǎng)測溫，給硬件設(shè)計工作帶來了極大的方便。另外采用DS18S20能有效地降低成本，簡化系統(tǒng)設(shè)計，占用系統(tǒng)I/O資源少、擴展方便，在多點溫度檢測中有比較好的應(yīng)用前景。