摘 要: 本文介紹了一種新型的嵌入式數(shù)字測(cè)溫系統(tǒng),,系統(tǒng)采用SAMSUNG公司的32位ARM微控制器S3C44BOX,,利用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為分布式測(cè)溫元件,。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單,可靠性高,,易于安裝和擴(kuò)展維護(hù)的特點(diǎn),,可作為一種新型的數(shù)控機(jī)床測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞:ARM,,S3C44BOX,,數(shù)字溫度傳感器,DS18B20
0 前言
熱誤差是數(shù)控機(jī)床的最大誤差源,,數(shù)控機(jī)床的溫度測(cè)試為機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償提供依據(jù),。傳統(tǒng)的測(cè)溫方案是將模擬信號(hào)通過(guò)電纜遠(yuǎn)距離傳輸至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并處理,實(shí)用中必須解決長(zhǎng)線傳輸和模擬量傳感器布線等問(wèn)題,。本文介紹了一種新型的設(shè)計(jì)方案,,控制器采用SAMSUNG公司的32位ARM微控制器S3C44BOX,溫度傳感器采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,。采用數(shù)字溫度傳感器即在測(cè)試點(diǎn)完成了信號(hào)的數(shù)字化,,提高了傳輸?shù)目煽啃裕瑫r(shí)簡(jiǎn)化了外圍電路,,也便于傳感器在機(jī)床上的布置安裝,。ARM處理器控制數(shù)字溫度信號(hào)的采集,,并與上位PC機(jī)通訊,同時(shí)其他硬件資源提供熱補(bǔ)償系統(tǒng)其他功能,。本文在介紹數(shù)字溫度傳感器DS18B20的基礎(chǔ)上,,給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案,對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵點(diǎn)做了詳盡的注釋說(shuō)明,。
1 數(shù)字溫度傳感器DS18B20介紹
1.1 DS18B20的結(jié)構(gòu)
DS18B20是美國(guó)DALLAS公司推出的一種可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器,。DS18B20只有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入/輸出口,是單總線專用芯片,。DS18B20工作時(shí),,被測(cè)溫度值直接以單總線的數(shù)字方式傳輸。
DS18B20體積小,,電壓適用范圍寬(3V-5V),,可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)9~12位的溫度讀數(shù),即有可調(diào)的溫度分辨率,。測(cè)溫范圍-55℃~+125℃,,在-10℃~+85℃時(shí),精度為±0.5℃,。其可選封裝有TO-92,、SOIC及CSP封裝。
每個(gè)DS18B20出廠時(shí)都有一個(gè)唯一的64位序列號(hào),,因此一條總線上可以同時(shí)掛接多個(gè)DS18B20而不會(huì)出現(xiàn)混亂,。 DS18B20包括一個(gè)暫存RAM和一個(gè)E2RAM,。暫存存儲(chǔ)器RAM用于存放工作參數(shù)和測(cè)量值,,其作用是保證在單線通訊時(shí)的完整性,包括8個(gè)字節(jié),。E2RAM用于設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限值TH和TL(調(diào)電后依然保存),。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
頭兩個(gè)字節(jié)表示測(cè)得的溫度讀數(shù),,數(shù)據(jù)格式如圖2所示: S=1時(shí)表示溫度為負(fù),,S=0時(shí)表示溫度為正,其余低位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示,,最低位為1,,表示0.0625℃
內(nèi)部存儲(chǔ)器的第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器,主要用于溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率,。
1.2 DS18B20的工作時(shí)序
DS18B20嚴(yán)格遵循單總線協(xié)議,,工作時(shí),主機(jī)先發(fā)一復(fù)位脈沖,,使總線上的所有DS18B20都被復(fù)位,,接著發(fā)送ROM操作指令,,使序列號(hào)編碼匹配的DS18B20被激活,準(zhǔn)備接受下面的RAM訪問(wèn)指令,。RAM訪問(wèn)指令控制選中的DS18B20工作狀態(tài),,完成整個(gè)溫度轉(zhuǎn)換,讀取等工作,。在ROM命令發(fā)送之前,RAM命令命令不起作用,。表1列出了所有操作命令。
整個(gè)操作主要包括三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程:主機(jī)搜索DS18B20序列號(hào),、啟動(dòng)在線DS18B20做溫度轉(zhuǎn)換,、讀取溫度值。
其工作流程如圖3:
DS18B20對(duì)時(shí)序及電特性參數(shù)要求較高,,必須嚴(yán)格按照DS18B20的時(shí)序要求去操作,。它的數(shù)據(jù)讀寫主要由主機(jī)讀寫特定的時(shí)間片來(lái)完成,包括復(fù)位(初始化),、讀時(shí)間片和寫時(shí)間片。
(1) 復(fù)位時(shí)序
使用DS18B20時(shí),首先需將其復(fù)位,然后才能執(zhí)行其它命令,。復(fù)位時(shí),主機(jī)將數(shù)據(jù)線拉為低電平并保持480μs~960μs,然后釋放數(shù)據(jù)線,再由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉高15~60μs,等待DS18B20發(fā)出存在脈沖,存在脈沖有效時(shí)間為60~240μs,,這樣,就完成了復(fù)位操作,。其復(fù)位時(shí)序如圖4所示,。
(2) “寫”時(shí)序
在主機(jī)對(duì)DS18B20寫數(shù)據(jù)時(shí),先將數(shù)據(jù)線置為高電平,再變?yōu)榈碗娖?該低電平應(yīng)大于1μs。在數(shù)據(jù)線變?yōu)榈碗娖胶?5μs內(nèi),根據(jù)寫“1”或?qū)?ldquo;0”使數(shù)據(jù)線變高或繼續(xù)為低,。DS18B20將在數(shù)據(jù)線變成低電平后15μs~60μs內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣,。要求寫入DS18B20的數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于60μs而小于120μs,兩次寫數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔應(yīng)大于1μs。寫時(shí)隙的時(shí)序如圖5所示,。“讀”時(shí)序機(jī)理類似,,不再贅述。
2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
我們采用的控制器是SAMSUNG公司的32位ARM微控制器S3C44BOX,,是三星公司為一般應(yīng)用提供的高性價(jià)比和高性能的微控制器的解決方案,,功耗小,可靠性高,。它使用ARM7TDMI核,,工作在66MHz。采用的該ARM控制器將服務(wù)于整個(gè)熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng),,完成包括數(shù)據(jù)處理與通訊,、控制等多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。機(jī)床測(cè)溫系統(tǒng)只使用小部分片上資源,。
我們主要通過(guò)對(duì)I/O引腳的電平讀寫來(lái)完成單總線的通訊,,采用ARM內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生中斷來(lái)完成有時(shí)隙要求的工作,。由于我們通過(guò)預(yù)分頻后產(chǎn)生的計(jì)時(shí)值單位達(dá)到1μs,完全能夠滿足時(shí)序工作的需要,。
DS18B20與控制器的接口及其簡(jiǎn)單,,只需將DS18B20的信號(hào)線與控制器的一位雙向端口連接即可。系統(tǒng)連接如圖8所示:
2.2 軟件設(shè)計(jì)
遵循DS18B20單總線通訊協(xié)議,,溫度轉(zhuǎn)換與讀取工作的軟件流程可表示為圖9(該流程是在已經(jīng)選中激活某個(gè)選中的DS18B20以后,,選中激活流程軟件原理類似,此處省略),。 可見(jiàn),,與DS18B20進(jìn)行通訊主要完成以下三個(gè)基本子程序:初始化程序(復(fù)位程序)、‘讀’子程序,,‘寫’子程序,。系統(tǒng)采用 C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì),以下是初始化(復(fù)位)子程序,,設(shè)計(jì)如下:
U8 resetpulse(void) //復(fù)位函數(shù)定義
{
U8 RX=1; //函數(shù)返回值設(shè)置
rPCONF=0x01; //PF0輸出口
rPDATF=0x0; //PF0輸出0,,拉低
rTCNTB1=0x1f4; //定時(shí)緩沖器設(shè)定,延時(shí)500us
rTCON=0x0200; //定時(shí)控制器設(shè)定,,將定時(shí)器1手動(dòng)更新
rTCON=0x0100; //定時(shí)器開(kāi)啟,,手動(dòng)更新關(guān)閉
while(TIME); //在定時(shí)中斷產(chǎn)生以前踏步等待(我們?cè)谥袛嘀懈淖冞@個(gè)標(biāo)志值)
rPDATF=0x01; //低脈沖時(shí)間500us已過(guò),PF0置高
TIME=1; //將TIME值恢復(fù)
rTCON=0x0; //關(guān)閉定時(shí)器
rTCNTB1=60; //延時(shí)60us
rTCON=0x0200;
rTCON=0x0100;
while(TIME);
TIME=1;
rTCON=0x0;
rPCONF=0x0; //改為輸入口,,進(jìn)行讀值
if((rPDATF & 0x01)==0) //讀到PF0口為低時(shí)說(shuō)明存在脈沖收到
{RX=0;}
rTCNTB1=0x0190; //延時(shí)400us
rTCON=0x0200;
rTCON=0x0100;
while(TIME);
TIME=1;
rTCON=0x0;
return(RX); //函數(shù)返回RX值,,在收到存在脈沖時(shí)RX為零
}
調(diào)用該初始化程序就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位要求。“讀”子程序,、“寫”子程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)制類似,,代碼不再贅述。在單總線協(xié)議下,,通過(guò)調(diào)用這幾個(gè)子程序進(jìn)行相應(yīng)的控制,,就能完成主機(jī)與DS18B20的通訊,實(shí)現(xiàn)溫度的采集,。
3 結(jié)論
本系統(tǒng)接口電路簡(jiǎn)單,,通訊可靠,集成后的系統(tǒng)運(yùn)行良好,,測(cè)試精度高,,試驗(yàn)證明能完成預(yù)定測(cè)試任務(wù)。