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隨著(zhù)現代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，分布式溫度測量控制系統在工業(yè)、農業(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，對溫度采集控制系統的設計與研究就具有十分重要的意義。 系統總體設計方案 TMS320F2812是TI公司推出的150MHz高速處理能力的高精度定點(diǎn)數字信號控制器。本設計采用TMS320F2812作為數據處理與控制單元，以Maxim公司的單線(xiàn)數字溫度計DS28EA00為基礎，通過(guò)DSP控制溫度傳感器順序采集各個(gè)測量點(diǎn)的溫度，經(jīng)處理送LED顯示并暫存到外擴RAM中，當滿(mǎn)足特定的要求時(shí)，將數據存儲到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溫度測量模塊、USB接口模塊、SD卡接口模塊、外擴RAM模塊、LED顯示模塊和TMS320F2812數字信號處理模塊，系統總體框圖如圖1所示。 圖1 系統總體框圖 系統硬件設計 1 DS28EA00溫度測量模塊 ① 溫度傳感器選型 實(shí)際環(huán)境復雜多變，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(xiàn)，并能明確區分出溫度數據與溫度傳感器位置的對應關(guān)系，因此溫度傳感器的選型十分關(guān)鍵。傳統的模擬溫度傳感測量系統測量精度低、布線(xiàn)復雜、易受干擾，而新型單片數字式溫度傳感器測量精度高、抗干擾能力強，應用范圍越來(lái)越廣。 DS28EA00是業(yè)界首款具有鏈路功能的1-Wire數字溫度傳感器，具有9位(0.5℃)～12位(1/16℃)分辨率，且帶有可由用戶(hù)編程設置的非易失(NV)性溫度上、下限報警觸發(fā)點(diǎn)，報警搜索命令能夠快速確定溫度超出設定范圍的器件。每個(gè)DS28EA00都具有工廠(chǎng)預先刻度的唯一64位序列號，只需一根數據線(xiàn)和地線(xiàn)就可通過(guò)1-Wire協(xié)議完成串行傳輸數據，支持 15.3kb/s的標準通信速率和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溫度計不同，DS28EA00具有兩個(gè)額外的引腳用以執行順序檢測功能。該特性允許用戶(hù)將器件在鏈路中的物理位置與序列號對應，如用來(lái)測量貯存塔不同高度處的溫度。DS28EA00的供電和數據通信都是借助這條1-Wire線(xiàn)完成的。 DS28EA00內部包括三個(gè)主要數據部分：(1)64位序列號，(2)64位暫存器，(3)報警和配置寄存器。所有1-Wire系統都有一個(gè)重要的基本特性：每個(gè)從機都有一個(gè)唯一、不能更改(ROM)的64位、工廠(chǎng)激光刻制序列號(ID)，這個(gè)序列號永遠不會(huì )與另一個(gè)器件重復。1-Wire ROM Function Control(1-WireROM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 FunctionControl(器件功能控制)單元用于實(shí)現對器件的特定操作和控制，如實(shí)現讀/寫(xiě)、溫度轉換、設置順序檢測的鏈路狀態(tài)。8bitCRC生成器在讀取溫度和寄存器數據時(shí)協(xié)助主機檢驗數據完整性。DSP通過(guò)GPIO口與DS28EA00的1-Wire（1線(xiàn)接口）總線(xiàn)接口相連進(jìn)行通信，如圖2所示。 圖2 測溫模塊原理圖 ② DS28EA00的序列檢測硬件電路連接 DS28EA00的鏈路功能允許1-Wire主機檢索以線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )(“鏈”)方式連接的器件，找出其物理順序，這對于那些沿長(cháng)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)使器件在檢測過(guò)程中能對檢測做出響應，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已完成。 DS28EA00的兩個(gè)通用端口被復用以實(shí)現鏈路功能。PIOB被復用為EN輸入，PIOA產(chǎn)生DONE信號并與下一個(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，序列檢測時(shí)的連接(由DSP充當1線(xiàn)主機)如圖3所示。 圖3 DS28EA00序列檢測硬件電路連接(鏈路功能) 2 USB接口模塊。 本系統采用Cypress公司生產(chǎn)的嵌入式USB接口芯片SL811HST，內含USB主/從控制器，支持全速(full-speed)/低速(low-speed)數據傳輸，并能自動(dòng)識別低速或者全速設備，SL811HST所提供的接口可與微控制器、DSP相連。此外，SL811HST內部有一個(gè)256字節的RAM，可用做控制寄存器或數據緩沖器。本系統中USB設備映射TMS320F2812外擴0區域，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)上已出現了容量高達GB容量的SD卡，可以通過(guò)SPI口或并行(SD)接口與主機通信，另外還提供額外的引腳用來(lái)檢測卡的存在以及是否寫(xiě)保護。在SPI總線(xiàn)模式下，CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號，DI(DataIn)為主控制器向卡發(fā)送的單向數據信號，DO(DataOut)為卡向主控制器發(fā)送的單向數據信號。若想更高速的通信則選擇SD模式通信，可以采用GPIO接口滿(mǎn)足特定的SD規范。 系統軟件設計 系統軟件設計是本文的重點(diǎn)，主要包括三部分內容：DSP與DS28EA00的通信、DSP與SD卡的通信，DSP與USB設備的通信。 1 DSP與DS28EA00的通信 DS28EA00需要嚴格的通信協(xié)議確保數據的完整性，該協(xié)議在一根線(xiàn)上定義了四種類(lèi)型的信號：由復位脈沖和在線(xiàn)應答脈沖組成的復位序列、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀數據。DS28EA00能以標準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(fǎng)問(wèn)DS28EA00的操作流程如下。 ● DS28EA00初始化 1-Wire 總線(xiàn)上的所有操作均從初始化開(kāi)始，初始化過(guò)程由DSP發(fā)送的復位脈沖和從器件發(fā)送的在線(xiàn)應答脈沖組成，在線(xiàn)應答脈沖用于通知DSP DS28EA00已掛接在總線(xiàn)上并已準備就緒。 ● ROM功能命令 一旦DSP檢測到在線(xiàn)應答脈沖，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(cháng)度均為8位。 ● 控制功能命令 控制功能命令用于實(shí)現溫度測量、訪(fǎng)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準速率(默認狀態(tài)，OD=0)，也可用高速模式(OD=1)。上電后，如果沒(méi)有明確設置為高速模式，DS28EA00則以標準速率進(jìn)行通信。 ● 數據的收發(fā) DS28EA00的數據通信是在一個(gè)個(gè)時(shí)隙中進(jìn)行的，每個(gè)時(shí)隙只能傳送1bit數據。通過(guò)寫(xiě)時(shí)隙將數據從DSP傳輸至DS28EA00，而通過(guò)讀時(shí)隙則將數據由DS28EA00傳輸至DSP。除在線(xiàn)應答脈沖之外，所有的通信都是從主機(DSP)主導發(fā)出下降沿信號開(kāi)始。當1-Wire總線(xiàn)上的電壓跌落至低于門(mén)限電壓時(shí)，DS28EA00利用其內部時(shí)隙發(fā)生器，確定在寫(xiě)時(shí)隙期間何時(shí)對數據線(xiàn)進(jìn)行采樣以及在讀時(shí)隙時(shí)數據有效時(shí)間的長(cháng)短。 2 數據存儲 ① U盤(pán)數據存儲 通過(guò)DSP實(shí)現對USB移動(dòng)存儲設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)明設計過(guò)程。USB軟件設計主要由通用的USB總線(xiàn)枚舉部分和USB Mass Storage類(lèi)協(xié)議軟件設計和文件系統組成，U盤(pán)數據存儲流程圖如圖5所示。 圖5 U盤(pán)數據存儲流程圖 U盤(pán)數據存儲的部分代碼如下： （1）unsigned char EnumUsbDev(BYTE usbaddr) //枚舉USB設備 {USB_Reset(); //USB設備復位 if (!GetDescription()) // 獲取設備描述符并獲得傳輸包的最大字節數 return FALSE; if (!SetAddress(usbaddr)) // 設置USB設備的地址 return FALSE; if (!GetDescription ()) // 重新獲取設備描述符 return FALSE; if(uDev.bClass==8) //是否是大容量存儲設備 bFlags.bits.bMassDevice=TRUE;} （2）unsigned char EnumerateMassDevice(void) //枚舉大容量存儲設備 {DeviceInformation.BPB_BytesPerSec=512; //暫假設每個(gè)扇區為512字節 if(!RBC_Read(DeviceInfomation.StartSector，0，DBUF)) //讀取U盤(pán)DBR區了解U盤(pán)的基本信息 return FALSE; DeviceInfo.BPB_BytesPerSector=LSwapINT16(DBUF[10]，DBUF[11]); //讀取U盤(pán)每扇區字節數 DeviceInfo.BPB_SecPerCluters=DBUF[12]; //讀取U盤(pán)每簇扇區數 ReservedSectorsNumbers=LSwapINT16(DBUF[13]，DBUF[14]); //讀取U盤(pán)保留扇區數 DeviceInfomation.BPB_NumFATs=DBUF[15];} //讀取U盤(pán)FAT表的份數 ② SD卡數據存儲 SD卡數據存儲軟件設計主要包括兩部分：SD卡的上電初始化過(guò)程和對SD卡的讀寫(xiě)操作，其工作步驟如下。 ● 配置TMS320F2812的SPI接口，然后檢測是否有SD卡插入。為調試方便將SD卡接口的Vss2引腳接地。 ● 當檢測到SD卡的存在后系統連續發(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)現系統上電初始化。 ● SD卡初始化，注意此時(shí)SPI接口的通信速度應在100kHz到400kHz左右，以滿(mǎn)足SD卡通信協(xié)議的要求。 ● 系統與SD卡通信。此時(shí)可以提高SPI接口的通信速率。 SD卡數據存儲流程圖如圖6所示。 圖6 軟件系統流程圖 3文件系統 為了便于對采集的數據進(jìn)行處理，需要設計一個(gè)兼容FAT16、FAT32文件格式的文件管理系統，并將數據存儲到U盤(pán)或者SD卡。 文件系統的數據分為五 部分：MBR區、DBR區、FAT區、DIR區和DATA區，由于U盤(pán)或者SD卡不要求啟動(dòng)，因此可以沒(méi)有MBR區，只包含DBR、FAT、DIR和DATA四個(gè)區。 系統分析 1 性能指標 經(jīng)過(guò)反復測試后得出:系統能穩定的采集溫度數據并快速的存儲至U盤(pán)和SD卡，具體性能指標如下。 ● DSP與DS28EA00 的通信速率：標準通信速率為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 系統抗干擾性能分析 在1-Wire系統中，僅DSP在信號瞬變期間進(jìn)行控制才可能實(shí)現線(xiàn)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。根據網(wǎng)絡(luò )的物理形狀大小和拓撲結構的不同，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(xiàn)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(xiàn)路上的噪聲也產(chǎn)生信號毛刺。時(shí)隙上升沿時(shí)出現的毛刺可能會(huì )引起從器件與不同步，結果會(huì )造成SearchROM命令無(wú)效，或導致器件級命令被忽略。為提高網(wǎng)絡(luò )性能，DS28EA00采用了一種新型的1-Wire前端，它對噪聲的免疫力更強，可以降低從器件引入的噪聲的幅度。DS28EA00的1-Wire前端較之傳統溫度傳感器的前端有以下不同。 ● 在線(xiàn)應答脈沖的下降沿斜率是受控制的，這樣提供了比數字開(kāi)關(guān)晶體管更好的傳輸線(xiàn)阻抗匹配，將來(lái)自傳統器件的高頻振蕩轉換為更平滑的低頻瞬變。斜率控制由參數tFPD（器件存在下降時(shí)間）指定，針對標準速度和高速模式，具有不同的取值。 ● 該電路中增加了一個(gè)低通濾波器，用于檢測時(shí)隙開(kāi)始時(shí)的下降沿，這樣可降低器件對高頻噪聲的敏感度。 ● 高低開(kāi)關(guān)門(mén)限VTH具有一個(gè)滯回。如果一個(gè)負毛刺的電壓低于VTH，但不低于VTH-VHY時(shí)，就不會(huì )判定為負脈沖（如圖7 Case A），滯回在任何1-Wire速率下均起作用。 ● 該系統具有一個(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，即使毛刺電壓低于門(mén)限VTH-VHY(如圖7 Case B，tGL 圖7 噪聲抑制示意圖 結語(yǔ) 該溫度采集記錄儀不但可以穩定的采集溫度數據而且可以快速的將數據存儲到U盤(pán)或者SD卡，便于以后分析處理，特別適合環(huán)境比較惡劣地區的溫度采集，為溫度采集與數據存儲提供了一個(gè)理想的解決方案。 |
