基于ARM和DS18B20設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化的智能溫度傳感器

　　傳感器作為一種獲取信息的重要工具，在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。但隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展以及測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器已與各種微處理器相結(jié)合，并連入網(wǎng)絡(luò)，形成了帶有信息檢測、信號處理、邏輯思維等一系列功能的智能，傳感器。

　　1 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器簡介

　　網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點(diǎn)檢測發(fā)展；從被動檢測向主動進(jìn)行信息處理方向發(fā)展；從就地測量向遠(yuǎn)距離實(shí)時在線測控發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化使得傳感器可以就近接入網(wǎng)絡(luò)，傳感器與測控設(shè)備間再無需點(diǎn)對點(diǎn)連接，大大簡化了連接線路，易于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器一般由信號采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元組成。這3個單元可以是采用不同芯片構(gòu)成合成式的，也可以是單片式結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的核心便是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器具有體積小、功耗低、可靠性高、可抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)就是采用嵌入式微處理器作為核心，使用數(shù)字式的溫度傳感器作為采集單元。系統(tǒng)設(shè)計中采用的是信息技術(shù)領(lǐng)域最新的B／S(Brower／Server，瀏覽器／服務(wù)器)結(jié)構(gòu)，用瀏覽器作為統(tǒng)一的客戶端，無需安裝軟件，使用起來更加方便。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2．1 總體框架

　　采用的嵌入式微處理器LPC2210是基于一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的16／32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器。功耗極低，具有多個32位定時器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個外部中斷，特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟Modem以及其他類型的應(yīng)用。

　　該嵌入式Web智能溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計的總體框架如圖1所示。

　　2．2 電源模塊

　　LPC2200系列ARM7微控制器均要使用2組電源，I／O口供電電源為3．3 V，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為1．8 V應(yīng)用系統(tǒng)。如圖2所示，首先由CZl電源接口輸入9 V直流電源，二極管D1防止電源反接，經(jīng)過C1和C2兩個電容進(jìn)行濾波；然后，通過LM7805將電源穩(wěn)壓至5 V，再使用LDO芯片(低壓差電源芯片)穩(wěn)壓輸出3．3 V及1．8 V電壓。

　　2．3 溫度傳感器

　　溫度傳感器采用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該傳感器是Maxim公司生產(chǎn)的、屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。測溫范圍較廣，為一55～+125℃，固有測溫分辨率為O．5℃。其支持“一線總線”接口，即從DS18B20讀出信息或向DS18B20寫入信息僅需要一根口線(單線接口)。溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。DS18B20集溫度測量、A／D轉(zhuǎn)換于一體，可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，具有體積小、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

　　DS18B20與微處理器LPC2210的連接圖如圖3所示。注意，應(yīng)加入一個阻值為5．1 kΩ的上拉電阻。

　　2．4 網(wǎng)絡(luò)接口

　　網(wǎng)絡(luò)接口采用的是目前比較常用的lO Mbps嵌入式以太網(wǎng)控制芯片RTL8019。它是一種高度集成的以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)部集成了DMA控制器、ISA總線控制器、16 KB SRAM和網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器。用戶可以通過DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)SRAM中，讓芯片自動將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；而芯片在接收到數(shù)據(jù)后，用戶也可以通過DMA方式將其讀出。

　　RTL8019AS與LPC2210一般通過外部總線進(jìn)行連接，其連接關(guān)系如表1所列。

　　由表1可知，RTL8019AS使用LPC2210外部存儲控制的Bank2部分，而RTL8019AS的I／O地址為0x00300～Ox0031F，所以RTL8019AS在SA8=l、SA5=O時選通，其數(shù)據(jù)地址為0x83400000～Ox83400001F。

　　NET_RST為LPC2210輸出引腳，RTL8019AS中斷信號為中斷輸入信號，且為外部中斷。RTL8019AS的SDO～SDl5串了一個470 Ω電阻連接到LPC2210的D0～D15。此外，該系統(tǒng)還加入了LCM接口，可以直接支持SMG240128A點(diǎn)陣圖形液晶模塊，便于通過液晶實(shí)時顯示傳感器所接收的溫度。

　　3 系統(tǒng)軟件分析

　　3．1 總體設(shè)計

　　系統(tǒng)開發(fā)采用的是ARM公司的ADS1．2作為開發(fā)編譯環(huán)境。移植了μC／OS—II操作系統(tǒng)，主要采用C語言編寫。將μC／OS—II移植到ARM處理器上，需要修改3個與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件：OS_CPU．H、0S_CPU_A．ASM、OS_CPU_C．C。具體移植請參考相關(guān)書籍。

　　程序首先調(diào)用OSinit()初始化μC／OS—II，完成對操作系統(tǒng)內(nèi)部一些變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏定義的初始化。在開始多任務(wù)之前，還需建立一個名為Task0()的任務(wù)，這一點(diǎn)是非常重要的，否則用戶的應(yīng)用程序就會崩潰。主任務(wù)中首先調(diào)用TargeTInit()函數(shù)將目標(biāo)板初始化，模板中包含這個初始化函數(shù)，它完成對板上硬件的一些初始化工作。之后啟動多任務(wù)環(huán)境，創(chuàng)建3個任務(wù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最終的目標(biāo)。這3個任務(wù)包括：傳感器對溫度的采集和處理；溫度比較與液晶顯示；建立Web服務(wù)器。下面對設(shè)計過程中比較關(guān)鍵問題進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

　　3．2 軟件設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題

　　3．2．1 傳感器的溫度采集

　　在對傳感器數(shù)據(jù)采集的軟件編程中，采用的是單線總線協(xié)議。通過單線總線訪問DSl8820的協(xié)議包括：初始化DSl8820、ROM操作命令、存儲器操作命令和讀數(shù)據(jù)／處理數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)DSl8820的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫3個子程序：Init_DSl8820為初始化子程序；WriteOneChar為寫(命令或數(shù)據(jù))子程序；ReadOneChar為讀數(shù)據(jù)子程序。所有的數(shù)據(jù)讀／寫均由最低位開始。

　　該系統(tǒng)的讀字節(jié)子程序的流程如圖4所示。

　　溫度傳感器采集的關(guān)鍵任務(wù)程序代碼如下：