基于LM74的Profibus溫度采集從站

前言
采用新型的數(shù)字化的溫度傳感器的全數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)總線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 在精度、穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力方面都高于模擬系統(tǒng), 系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、成本低，在技術(shù)上較傳統(tǒng)的分布溫度測(cè)量有明顯優(yōu)勢(shì)。本文介紹了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM系列數(shù)字式溫度傳感器LM74的原理、性能和接口技術(shù), 及基于LM74的帶現(xiàn)場(chǎng)總線接口的溫度采集從站模塊。系統(tǒng)運(yùn)行過程中模塊采集到的溫度信號(hào)可以傳送到主站，通過上位機(jī)工控軟件iFix實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、顯示和記錄。

數(shù)字溫度傳感器LM74
LM74是一集成了帶隙式溫度傳感器、Delta-Sigma型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、并具有SPI/Microwire兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。其原理如圖1所示。在傳感器通電工作后，自動(dòng)按一定速率對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè), 并在片內(nèi)寄存器中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的溫度值，主機(jī)可以在任意時(shí)刻讀出傳感器溫度值。LM74具有休眠模式, 在休眠時(shí)消耗的電流不超過10mA, 適用于對(duì)功耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。LM74的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器為12位外加符號(hào)位，有效工作范圍為-55℃~+155℃，分辨率可達(dá)0.0625℃的分辨率。由于采用了SPI/ Microwire兼容總線接口, 可以將多個(gè)傳感器掛接在總線上, 通過片選信號(hào)對(duì)特定器件進(jìn)行讀寫操作。LM74采用3.0V~5.5V的供電電壓。
LM74采用SO-8封裝以節(jié)省空間。其中SI/O用于主站輸入/輸出，串行總線雙向數(shù)據(jù)線，或施密特時(shí)鐘觸發(fā)輸入；SC用于總線時(shí)鐘/串行總線施密特時(shí)鐘觸發(fā)輸入；NC無信號(hào)連接；/CS為片選輸入信號(hào)；V是電壓輸入端；GND為地信號(hào)。LM74的內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)有3個(gè)寄存器，分別為溫度寄存器、組態(tài)寄存器和制造商認(rèn)證寄存器。其中溫度寄存器和制造商認(rèn)證寄存器只讀，組態(tài)寄存器只寫。LM74通過配置組態(tài)寄存器可選擇休眠模式或連續(xù)工作模式。
LM74的工作方式是：在SC引腳的串行時(shí)鐘下降沿輸出數(shù)據(jù)，上升沿輸入數(shù)據(jù)。一個(gè)完整的發(fā)送/接收過程包含32個(gè)串行時(shí)鐘，在前16個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)送，后16個(gè)時(shí)鐘周期接收。數(shù)據(jù)通信由/CS的低電平觸發(fā)，主機(jī)在SC的上升沿讀出數(shù)據(jù)。在14位數(shù)據(jù)發(fā)送完后SI/O腳轉(zhuǎn)為TRI狀態(tài)。在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)/CS可被置高電平，如果/CS在轉(zhuǎn)換過程中變低，則LM74將中止轉(zhuǎn)換。輸出移位寄存器將在/CS重新變高時(shí)更新。數(shù)據(jù)接收始于第16個(gè)串行周期后。/CS信號(hào)必須在32個(gè)串行周期保持為低。LM74將在SC的上升沿從SI/O引腳讀取數(shù)據(jù)。在/CS置高前，串行數(shù)據(jù)的所有16位將被發(fā)送到LM74。如果/CS在LM74接收數(shù)據(jù)的時(shí)候置高，在組態(tài)寄存器中的數(shù)據(jù)將被損壞。在32個(gè)串行周期后，/CS可被置高來完成通信。

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
在構(gòu)成大規(guī)模溫度檢測(cè)系統(tǒng)時(shí), 由于測(cè)點(diǎn)多、分布廣、干擾嚴(yán)重,除需要保證傳感器的性能和抗干擾能力外，還需要選用合適的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù), 并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 簡(jiǎn)化系統(tǒng)布線, 使之達(dá)到良好的性能。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用的微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信的能力，采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化的測(cè)量控制設(shè)備之間，以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
用西門子公司提供的SPC3開發(fā)出與傳感器相連的Profbus-DP從站溫度采集模塊，通過Profibus總線連接分布在工廠各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)字式溫度傳感器LM74, 完成動(dòng)態(tài)溫度數(shù)據(jù)采集和傳輸。由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù), 使系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性, 配置靈活, 擴(kuò)充和管理都很方便。且全數(shù)字溫度測(cè)量系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力以及系統(tǒng)維護(hù)性能等都大大高于模擬系統(tǒng)。溫度采集從站模塊主要由協(xié)議芯片SPC3、LM74、80C32微處理器、EPROM、32KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、用于與Profibus總線相連的RS485接口、譯碼器電路和一個(gè)復(fù)位組成。溫度顯示模塊由時(shí)鐘芯片、鎖存器、EPROM和液晶顯示屏等組成。溫度采集和顯示從站模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
LM74與處理器之間的接口如圖3所示。
    與處理器通信和讀取溫度數(shù)據(jù)的接口程序如下：
uchar i2c_rd1(void)
{ uchar i = 8, d;
i2c_sda1 = 1;        //SI/O置高電平
while ( i--)循環(huán)
{ d = d << 1;
  Delay_5us();      //延時(shí)
  i2c_sck1 =1;      //SC置高電平
  if ( i2c_sda1 ) d++; //d 末尾置1
  Delay_5us();
  i2c_sck1 =0; }// SC置低電平
return d;}
uint LM74_R1(void)
{ uint x,y,Temp;
i2c_eep1 =0;        // /CS置低電平
  Delay_ms(1);      // 等待SI/O電平穩(wěn)定
x=i2c_rd1();        // 高位數(shù)據(jù)
y=i2c_rd1();   // 低位數(shù)據(jù)
Temp = (x<<8)|y;
i2c_eep1 =1;      // /CS置高電平
return(Temp);}
系統(tǒng)運(yùn)行過程中模塊采集到的溫度信號(hào)可以在溫度顯示模塊上顯示，并可傳送到主站，通過上位機(jī)工控軟件iFix實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、顯示和記錄。對(duì)測(cè)得到溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控過程中，當(dāng)溫度值超過設(shè)定范圍時(shí)，可以發(fā)出控制信號(hào)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。在iFix中的控制界面如圖4所示。上述系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠,可達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。系統(tǒng)擴(kuò)展方便，還可以掛接其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，集溫度、壓力、流量于一身進(jìn)行檢測(cè)、運(yùn)算和控制?！?