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微型溫度測量的數字化方案
摘要：在各種傳感器的設計中，溫度是影響其性能指標的一個(gè)重要因素。在對體積限制很?chē)栏竦臈l件下，解決了硅微加速度計設計中的內部溫度測量問(wèn)題。主要討論了內嵌于加速度計的微型數字溫度傳感器DS18B20U的功能特點(diǎn)和使用要點(diǎn)，并且介紹了“一線(xiàn)”網(wǎng)關(guān)的硬件及軟件設計。此項技術(shù)已有后續的軟件開(kāi)發(fā)實(shí)例。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，各種慣性器件的性能在不斷提高，體積也在不斷小型化。對于慣性器件（如加速度計、陀螺）性能的提高，溫度補償作為一種重要的修正方式越來(lái)越引起人們的注意，因此如何在慣性器件極小的空間內精確地測量、傳輸、處理溫度信息，成了能否使其性能和體積優(yōu)勢進(jìn)一步提高的關(guān)鍵問(wèn)題。
1 DS18B20U和“一線(xiàn)”總線(xiàn)
在研制新一代的微型MMS加速度計時(shí)，溫度測量的難題以一次擺在人們的面前。在3～4cm3的空間內放置一個(gè)傳統的SO-8或TO-92封裝的器件都顯得擁擠，更何況還要旋轉一個(gè)非主要功能的溫度傳感器了。
縱觀(guān)國際上現有的溫度傳感器的變化，總的趨勢是從模擬向數字轉變，相應的體積也在不斷減小。在體積非�？量痰膽T性器件中使用高精度、數字輸出型的溫度傳感器，MAXIM公司的DS18B20U最為符合要求。DS1820U是DS18B20系列產(chǎn)品中的一種。與以往模擬溫度信號的輸出不同，DS18B20的數字溫度輸出通過(guò)“一線(xiàn)”總線(xiàn)（1-Wire是被MAXIM公司收購的DALLAS公司新?lián)碛械囊环N獨特的數字信號總線(xiàn)協(xié)議，它將獨特的電源線(xiàn)和信號線(xiàn)復合在一起，僅使用一條口線(xiàn)；每個(gè)芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址、零功耗等待等，是所需硬件連線(xiàn)最少的一種總線(xiàn)）這種獨特的方式，使多個(gè)DS18B20U方便地組建成傳感器網(wǎng)絡(luò )，為整個(gè)測量系統的建立和組合提供了更大可能性。
DS18B20真正令人驚奇的是其μSOP封裝，這種封裝只有3.0mm×6.4mm的水平尺寸，高度小于1.2mm。這樣可以節省更多的印刷電路板空間，非常適合于集成度高、對尺寸要求嚴格的慣性器件電路。因此在本加速度計的狹窄空間中使用，它是最為合適的內嵌式溫度傳感器件。
DS18B20溫度傳感器的主要性能指標為：
*“一線(xiàn)”總線(xiàn)接口令需一個(gè)端口進(jìn)行通訊。
*簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布應用。
*可通過(guò)數據線(xiàn)供電。
*測溫范圍為-55～ 125℃，在-10～ 85℃的范圍內，精度為±0.5℃。
*溫度以9～12位數字量讀出，分辨率為0.0625℃。
*U型產(chǎn)品采用超小型的μSOP封裝，大大減小了體積。
以下介紹DS18B20U的一些使用要點(diǎn)，更詳細的信息可以參考MAXIM公司網(wǎng)站提供的DS18B20的Datasheet(英文版)。
1.1 DS18B20U的溫度測量時(shí)間
DS18B20U作為溫度傳感器。
1.2 DS18B20U的“一線(xiàn)”總線(xiàn)標識序號
每一個(gè)DS18B20U都有一個(gè)唯一的64位的“一線(xiàn)”總線(xiàn)標識序號，存放在DS18B20U的內部ROM（只讀存儲器）中。開(kāi)始8位是產(chǎn)品類(lèi)型編碼（DS18B20編碼均為28H），接著(zhù)的48位是每個(gè)器件的唯一序號，最后8位是前面56位的CRC（循環(huán)冗余校驗）碼。
1.3 DS18B20U的溫度數據表示格式
DS18B20U中有用于存儲測得溫度值的兩個(gè)8位寄存器，它們存儲的溫度數據由兩個(gè)字節組成，分別為L(cháng)S Byte(低字節)和MS Byte(高字節)，MS Byte的高5位存放溫度值的符號，如果溫度為負（℃），則MS Byte的高5位全為1，否則全為0。LS Byte的8位和MS Byte的低3位用于存放溫度值的補碼，LSB(最低位)為0.0625℃。將寄存器中的二進(jìn)制數求補，就得到了被測溫度值（-55℃～ 125℃）。
1.4 DS18B20U的供電方式
DS18B20可以設置成兩種供電方式，即數據總線(xiàn)供電方式和外部供電方式。采取數據總線(xiàn)供電方式可以節省一根導線(xiàn)，但由此帶來(lái)的缺點(diǎn)是完成溫度測量的時(shí)間較長(cháng)；而采取外部供電方式則多用一根導線(xiàn)，但測量速度較快。注意：采用超小型μSOP封裝的DS18B20U不適合使用數據總線(xiàn)供電方式。
1.5 DS18B20U的多路同步測量
每一片DS18B20在其ROM中都存在唯一的48位序列號，在出廠(chǎng)前已寫(xiě)入片內ROM中。
如圖1所示，當主機需要對眾多在線(xiàn)DS18B20中的某一個(gè)進(jìn)行操作時(shí)，首先發(fā)出匹配ROM命令（命令代號55h），緊接著(zhù)主機提供64位序列號（包括該DS18B20的48位序列號），之后的操作就是針對該DS18B20的。但是DS18B20的命令中允許對所有在線(xiàn)節點(diǎn)進(jìn)行統一操作，利用的是跳過(guò)ROM命令（命令代號CCh）。而所謂路過(guò)ROM命令即可：之后的操作是面對總線(xiàn)上所有DS18B20的。命令序列先跳過(guò)ROM，啟動(dòng)總線(xiàn)上所有DS18B20進(jìn)行溫度測量，然后通過(guò)匹配ROM再逐一地讀回每個(gè)DS18B20的溫度數據。這種方式使采集的溫度數據具有很好的同步性，而且節省時(shí)間。
2 “一線(xiàn)”網(wǎng)關(guān)的硬件設計
為了收集DS18B20U器件采集的溫度信息，需要控制掛接在“一線(xiàn)”總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的DS18B20U芯片，所以需要研制“一線(xiàn)”網(wǎng)關(guān)�！耙痪�(xiàn)”網(wǎng)關(guān)的主要功能就是面對試驗人員，把“一線(xiàn)”總線(xiàn)上的DS18B20U的信息轉換成異步串口232接口中的信息，這相當于兩種類(lèi)型網(wǎng)絡(luò )之間的網(wǎng)關(guān)，因此叫做“一線(xiàn)”網(wǎng)關(guān)�！耙痪�(xiàn)”網(wǎng)關(guān)由一個(gè)功能強大的8位單片機P89C668組合各種外圍芯片構成，各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。下面介紹其設計重點(diǎn)。
2.1
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