分布式溫度采集記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，分布式溫度測(cè)量控制系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人們的日常生活中扮演了一個(gè)越來(lái)越重要的角色。因此，對(duì)溫度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究就具有十分重要的意義。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
TMS320F2812是TI公司推出的150MHz高速處理能力的高精度定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器。本設(shè)計(jì)采用TMS320F2812作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，以Maxim公司的單線數(shù)字溫度計(jì)DS28EA00為基礎(chǔ)，通過(guò)DSP控制溫度傳感器順序采集各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度，經(jīng)處理送LED顯示并暫存到外擴(kuò)RAM中，當(dāng)滿足特定的要求時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤(pán)或SD卡以便于以后分析處理。溫度采集記錄儀的硬件電路主要包含6個(gè)部分：DS28EA00溫度測(cè)量模塊、USB接口模塊、SD卡接口模塊、外擴(kuò)RAM模塊、LED顯示模塊和TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1 DS28EA00溫度測(cè)量模塊

① 溫度傳感器選型
實(shí)際環(huán)境復(fù)雜多變，通常要求溫度傳感器能夠與DSP可靠地通信，易與供電及布線，并能明確區(qū)分出溫度數(shù)據(jù)與溫度傳感器位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此溫度傳感器的選型十分關(guān)鍵。傳統(tǒng)的模擬溫度傳感測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度低、布線復(fù)雜、易受干擾，而新型單片數(shù)字式溫度傳感器測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。

DS28EA00是業(yè)界首款具有鏈路功能的1-Wire數(shù)字溫度傳感器，具有9位(0.5℃)～12位(1/16℃)分辨率，且?guī)в锌捎捎脩艟幊淘O(shè)置的非易失(NV)性溫度上、下限報(bào)警觸發(fā)點(diǎn)，報(bào)警搜索命令能夠快速確定溫度超出設(shè)定范圍的器件。每個(gè)DS28EA00都具有工廠預(yù)先刻度的唯一64位序列號(hào)，只需一根數(shù)據(jù)線和地線就可通過(guò)1-Wire協(xié)議完成串行傳輸數(shù)據(jù)，支持 15.3kb/s的標(biāo)準(zhǔn)通信速率和125kb/s(最大值)的高速通信速率。經(jīng)改進(jìn)的1-Wire接口具有滯回和干擾濾波特性功能，使得DS28EA00能夠在大的1-Wire網(wǎng)絡(luò)中可靠工作。并且，與其他1-Wire溫度計(jì)不同，DS28EA00具有兩個(gè)額外的引腳用以執(zhí)行順序檢測(cè)功能。該特性允許用戶將器件在鏈路中的物理位置與序列號(hào)對(duì)應(yīng)，如用來(lái)測(cè)量貯存塔不同高度處的溫度。DS28EA00的供電和數(shù)據(jù)通信都是借助這條1-Wire線完成的。

DS28EA00內(nèi)部包括三個(gè)主要數(shù)據(jù)部分：(1)64位序列號(hào)，(2)64位暫存器，(3)報(bào)警和配置寄存器。所有1-Wire系統(tǒng)都有一個(gè)重要的基本特性：每個(gè)從機(jī)都有一個(gè)唯一、不能更改(ROM)的64位、工廠激光刻制序列號(hào)(ID)，這個(gè)序列號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)與另一個(gè)器件重復(fù)。1-Wire ROM Function Control(1-Wire ROM功能控制)單元處理ROM功能命令，允許器件可以工作在一個(gè)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。Device Function Control(器件功能控制)單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的特定操作和控制，如實(shí)現(xiàn)讀/寫(xiě)、溫度轉(zhuǎn)換、設(shè)置順序檢測(cè)的鏈路狀態(tài)。8bit CRC生成器在讀取溫度和寄存器數(shù)據(jù)時(shí)協(xié)助主機(jī)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性。DSP通過(guò)GPIO口與DS28EA00的1-Wire（1線接口）總線接口相連進(jìn)行通信，如圖2所示。

圖2 測(cè)溫模塊原理圖

② DS28EA00的序列檢測(cè)硬件電路連接
DS28EA00的鏈路功能允許1-Wire主機(jī)檢索以線性網(wǎng)絡(luò)(“鏈”)方式連接的器件，找出其物理順序，這對(duì)于那些沿長(zhǎng)電纜等間距安裝的器件是非常方便的。鏈路功能需要兩個(gè)引腳，輸入引腳(EN)使器件在檢測(cè)過(guò)程中能對(duì)檢測(cè)做出響應(yīng)，而輸出引腳(DONE)用于通知鏈路中的下一個(gè)器件其相鄰器件的檢測(cè)已完成。

DS28EA00的兩個(gè)通用端口被復(fù)用以實(shí)現(xiàn)鏈路功能。PIOB被復(fù)用為EN輸入，PIOA產(chǎn)生DONE信號(hào)并與下一個(gè)器件的EN輸入相連，鏈路中第一個(gè)器件的EN輸入需連接至GND，序列檢測(cè)時(shí)的連接(由DSP充當(dāng)1線主機(jī))如圖3所示。

圖3 DS28EA00序列檢測(cè)硬件電路連接(鏈路功能)

2 USB接口模塊。
本系統(tǒng)采用Cypress公司生產(chǎn)的嵌入式USB接口芯片SL811HST，內(nèi)含USB主/從控制器，支持全速(full-speed)/低速(low-speed)數(shù)據(jù)傳輸，并能自動(dòng)識(shí)別低速或者全速設(shè)備，SL811HST所提供的接口可與微控制器、DSP相連。此外，SL811HST內(nèi)部有一個(gè)256字節(jié)的RAM，可用做控制寄存器或數(shù)據(jù)緩沖器。本系統(tǒng)中USB設(shè)備映射TMS320F2812外擴(kuò)0區(qū)域，USB接口模塊硬件電路圖如圖4所示。

圖4 USB接口模塊硬件電路圖

3 SD卡接口模塊
目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)了容量高達(dá)GB容量的SD卡，可以通過(guò)SPI口或并行(SD)接口與主機(jī)通信，另外還提供額外的引腳用來(lái)檢測(cè)卡的存在以及是否寫(xiě)保護(hù)。在SPI總線模式下，CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號(hào)，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)，DI(Data In)為主控制器向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)，DO(Data Out)為卡向主控制器發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)。若想更高速的通信則選擇SD模式通信，可以采用GPIO接口滿足特定的SD規(guī)范。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)，主要包括三部分內(nèi)容：DSP與DS28EA00的通信、DSP與SD卡的通信，DSP與USB設(shè)備的通信。

1 DSP與DS28EA00的通信
DS28EA00需要嚴(yán)格的通信協(xié)議確保數(shù)據(jù)的完整性，該協(xié)議在一根線上定義了四種類(lèi)型的信號(hào)：由復(fù)位脈沖和在線應(yīng)答脈沖組成的復(fù)位序列、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀數(shù)據(jù)。DS28EA00能以標(biāo)準(zhǔn)速率或高速兩種不同的速率進(jìn)行通信，且所有波形均采用快速定時(shí)。DSP通過(guò)1-Wire端口訪問(wèn)DS28EA00的操作流程如下。

● DS28EA00初始化
1-Wire 總線上的所有操作均從初始化開(kāi)始，初始化過(guò)程由DSP發(fā)送的復(fù)位脈沖和從器件發(fā)送的在線應(yīng)答脈沖組成，在線應(yīng)答脈沖用于通知DSP DS28EA00已掛接在總線上并已準(zhǔn)備就緒。

● ROM功能命令
一旦DSP檢測(cè)到在線應(yīng)答脈沖，就可以發(fā)出DS28EA00支持的8條ROM功能命令中的一條，所有ROM功能命令的長(zhǎng)度均為8位。

● 控制功能命令
控制功能命令用于實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量、訪問(wèn)寄存器和PIO、改變鏈路狀態(tài)所需的協(xié)議。DSP與DS28EA00之間的通信可采用標(biāo)準(zhǔn)速率(默認(rèn)狀態(tài)，OD=0)，也可用高速模式(OD=1)。上電后，如果沒(méi)有明確設(shè)置為高速模式，DS28EA00則以標(biāo)準(zhǔn)速率進(jìn)行通信。

● 數(shù)據(jù)的收發(fā)
DS28EA00的數(shù)據(jù)通信是在一個(gè)個(gè)時(shí)隙中進(jìn)行的，每個(gè)時(shí)隙只能傳送1bit數(shù)據(jù)。通過(guò)寫(xiě)時(shí)隙將數(shù)據(jù)從DSP傳輸至DS28EA00，而通過(guò)讀時(shí)隙則將數(shù)據(jù)由DS28EA00傳輸至DSP。除在線應(yīng)答脈沖之外，所有的通信都是從主機(jī)(DSP)主導(dǎo)發(fā)出下降沿信號(hào)開(kāi)始。當(dāng)1-Wire總線上的電壓跌落至低于門(mén)限電壓時(shí)，DS28EA00利用其內(nèi)部時(shí)隙發(fā)生器，確定在寫(xiě)時(shí)隙期間何時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣以及在讀時(shí)隙時(shí)數(shù)據(jù)有效時(shí)間的長(zhǎng)短。

2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
① U盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備操作的工作主要是在軟件方面，因此本文主要從軟件方面來(lái)說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程。USB軟件設(shè)計(jì)主要由通用的USB總線枚舉部分和USB Mass Storage類(lèi)協(xié)議軟件設(shè)計(jì)和文件系統(tǒng)組成，U盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖如圖5所示。

圖5 U盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

U盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的部分代碼如下：

（1）unsigned char EnumUsbDev(BYTE usbaddr) //枚舉USB設(shè)備
{USB_Reset(); //USB設(shè)備復(fù)位
if (!GetDescription()) // 獲取設(shè)備描述符并獲得傳輸包的最大字節(jié)數(shù)
return FALSE;
if (!SetAddress(usbaddr))
// 設(shè)置USB設(shè)備的地址
return FALSE;
if (!GetDescription ())
// 重新獲取設(shè)備描述符
return FALSE;
if(uDev.bClass==8)
//是否是大容量存儲(chǔ)設(shè)備
bFlags.bits.bMassDevice=TRUE;}

（2）unsigned char EnumerateMassDevice(void)
//枚舉大容量存儲(chǔ)設(shè)備
{DeviceInformation.BPB_BytesPerSec=512;
//暫假設(shè)每個(gè)扇區(qū)為512字節(jié)
if(!RBC_Read(DeviceInfomation.StartSector，0，DBUF)) //讀取U盤(pán)DBR區(qū)了解U盤(pán)的基本信息
return FALSE;
DeviceInfo.BPB_BytesPerSector=LSwapINT16(DBUF[10]，DBUF[11]); //讀取U盤(pán)每扇區(qū)字節(jié)數(shù)
DeviceInfo.BPB_SecPerCluters=DBUF[12];//讀取U盤(pán)每簇扇區(qū)數(shù)
ReservedSectorsNumbers=LSwapINT16(DBUF[13]，DBUF[14]); //讀取U盤(pán)保留扇區(qū)數(shù)
DeviceInfomation.BPB_NumFATs=DBUF[15];} //讀取U盤(pán)FAT表的份數(shù)

② SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：SD卡的上電初始化過(guò)程和對(duì)SD卡的讀寫(xiě)操作，其工作步驟如下。

● 配置TMS320F2812的SPI接口，然后檢測(cè)是否有SD卡插入。為調(diào)試方便將SD卡接口的Vss2引腳接地。

● 當(dāng)檢測(cè)到SD卡的存在后系統(tǒng)連續(xù)發(fā)送10次0xFF00使SD卡的DATA IN引腳保持至少74個(gè)時(shí)鐘周期以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電初始化。
● SD卡初始化，注意此時(shí)SPI接口的通信速度應(yīng)在100kHz到400kHz左右，以滿足SD卡通信協(xié)議的要求。

● 系統(tǒng)與SD卡通信。此時(shí)可以提高SPI接口的通信速率。

SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)流程圖

3文件系統(tǒng)
為了便于對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，需要設(shè)計(jì)一個(gè)兼容FAT16、FAT32文件格式的文件管理系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤(pán)或者SD卡。

文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分為五 部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、DIR區(qū)和DATA區(qū)，由于U盤(pán)或者SD卡不要求啟動(dòng)，因此可以沒(méi)有MBR區(qū)，只包含DBR、FAT、DIR和DATA四個(gè)區(qū)。

系統(tǒng)分析
1 性能指標(biāo)
經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試后得出:系統(tǒng)能穩(wěn)定的采集溫度數(shù)據(jù)并快速的存儲(chǔ)至U盤(pán)和SD卡，具體性能指標(biāo)如下。

● DSP與DS28EA00 的通信速率：標(biāo)準(zhǔn)通信速率為15.3kb/s，高速通信速率為125kb/s；

● DSP與U盤(pán)的通信速率約為600KB，與SD卡的通信速率約400KB。

2 系統(tǒng)抗干擾性能分析
在1-Wire系統(tǒng)中，僅DSP在信號(hào)瞬變期間進(jìn)行控制才可能實(shí)現(xiàn)線路終端匹配。因此，1-Wire網(wǎng)絡(luò)很容易受到其他噪聲的影響。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的物理形狀大小和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，從端點(diǎn)到分支點(diǎn)的反射可能會(huì)在一定程度上相互疊加或抵消，如同1-Wire通信線路上的毛刺或振蕩一樣，這樣的反射也是不容忽視的。從外部源耦合到1-Wire線路上的噪聲也產(chǎn)生信號(hào)毛刺。時(shí)隙上升沿時(shí)出現(xiàn)的毛刺可能會(huì)引起從器件與不同步，結(jié)果會(huì)造成Search ROM命令無(wú)效，或?qū)е缕骷?jí)命令被忽略。為提高網(wǎng)絡(luò)性能，DS28EA00采用了一種新型的1-Wire前端，它對(duì)噪聲的免疫力更強(qiáng)，可以降低從器件引入的噪聲的幅度。DS28EA00的1-Wire前端較之傳統(tǒng)溫度傳感器的前端有以下不同。

● 在線應(yīng)答脈沖的下降沿斜率是受控制的，這樣提供了比數(shù)字開(kāi)關(guān)晶體管更好的傳輸線阻抗匹配，將來(lái)自傳統(tǒng)器件的高頻振蕩轉(zhuǎn)換為更平滑的低頻瞬變。斜率控制由參數(shù)tFPD（器件存在下降時(shí)間）指定，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)速度和高速模式，具有不同的取值。

● 該電路中增加了一個(gè)低通濾波器，用于檢測(cè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)的下降沿，這樣可降低器件對(duì)高頻噪聲的敏感度。

● 高低開(kāi)關(guān)門(mén)限VTH具有一個(gè)滯回。如果一個(gè)負(fù)毛刺的電壓低于VTH，但不低于VTH-VHY時(shí)，就不會(huì)判定為負(fù)脈沖（如圖7 Case A），滯回在任何1-Wire速率下均起作用。

● 該系統(tǒng)具有一個(gè)tREH(上升沿拖尾時(shí)間)定義的時(shí)間窗口，在這個(gè)窗口內(nèi)，即使毛刺電壓低于門(mén)限VTH-VHY(如圖7 Case B，tGLtREH)，毛刺電壓仍會(huì)被忽略。

圖7 噪聲抑制示意圖

結(jié)語(yǔ)
該溫度采集記錄儀不但可以穩(wěn)定的采集溫度數(shù)據(jù)而且可以快速的將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤(pán)或者SD卡，便于以后分析處理，特別適合環(huán)境比較惡劣地區(qū)的溫度采集，為溫度采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了一個(gè)理想的解決方案。