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DS2438及其在單總線微網(wǎng)中的應(yīng)用
摘要：介紹內(nèi)部集成多種功能部件的單總線器件DS2438,利用該器件內(nèi)部豐富的硬件資源，可構(gòu)成具有環(huán)境溫度及單總線供電電壓補(bǔ)償功能的單總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；介紹器件性能特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，并給出該器件在單總線微網(wǎng)中的具體應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：?jiǎn)慰偩�微網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)單片機(jī)傳感器
1概述
在數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)中，由于單總線微網(wǎng)僅使用1根導(dǎo)線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳送，并同時(shí)為遠(yuǎn)端器件提供電源，既降低了測(cè)控系統(tǒng)的硬件成本，又提高了系統(tǒng)的可靠性，因而是有著廣泛應(yīng)用前景的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。但是，由于單總線微網(wǎng)一方面要傳送數(shù)據(jù)，另一方面還要向單總線器件提供電源，這必然造成單總線上供電電源電壓的波動(dòng)；而測(cè)控系統(tǒng)中所使用的傳感器元件，其輸出值不僅正比于被測(cè)量，而且往往還與供電電源的電壓值有關(guān)，因此，為了保證傳證傳感器的測(cè)量精度，就必須進(jìn)行相應(yīng)的電壓校正。另外，傳感器的輸出值往往還受環(huán)境溫度的影響，也必須進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。
上述問(wèn)題如果采用基于單總線的普通A/D轉(zhuǎn)換器件予以解決，會(huì)使相應(yīng)的硬件電路及軟件編程過(guò)于復(fù)雜。這里利用Dallas公司的單總線器件DS2438,巧妙地解決了上述問(wèn)題。下面首先介紹該器件，并重點(diǎn)介紹該器件與測(cè)控系統(tǒng)相關(guān)的功能。
DS2438是Dallas公司推出的智能電池監(jiān)視器。該器件是為了解決便攜式電子產(chǎn)品電池工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而推出的，主要性能特點(diǎn)如下：
�、賳慰偩�器件，僅需1根口線實(shí)現(xiàn)電源及雙向數(shù)據(jù)傳輸；
②片內(nèi)13位精度溫度傳感器，最小分辨率0.03125℃；
�、燮瑑�(nèi)10位二通道電壓A/D轉(zhuǎn)換器，最小分辨率為10mV;
�、芷瑑�(nèi)10位電流A/D轉(zhuǎn)換器；
�、萜瑑�(nèi)40字節(jié)非易失性用戶(hù)存儲(chǔ)器；
⑥片內(nèi)逝去時(shí)間計(jì)數(shù)器，完成充放電時(shí)間計(jì)時(shí)；
⑦單電源工作，低功耗特性；
�、喙ぷ鳒囟确秶鸀�-40℃——+80℃。
DS2438采用SOIC表面貼裝封裝形式，其外形及引腳排列如圖1所示，引腳功能說(shuō)明見(jiàn)表1.
表1DS2438引腳功能說(shuō)明
引腳號(hào)引腳名稱(chēng)
說(shuō)明
1GND接地2VSENS+電源電流監(jiān)視輸入（+）3VSENS-電池電流監(jiān)視輸入（-）4VAD通用A/D輸入端5VDD供電電壓（2.4——10V）6,7NC空引腳8DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出、1線操作、開(kāi)漏
2工作原理
DS2438的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
由圖2可知，DS2438由單總線接口、電壓A/D轉(zhuǎn)換器、電流A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、時(shí)鐘電路、40字節(jié)的E2PROM及與上述硬件相關(guān)的寄存器組成。其中的電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，可編程為由VDD電源端輸入或VAD輸入端輸入，以滿(mǎn)足VDD電源端及外部輸入模擬量VAD的測(cè)量要求。
2.1器件存儲(chǔ)單元
DS2438存儲(chǔ)器類(lèi)型包括易失性的SRAM和非易失性的E2PROM.DS2438內(nèi)部的存儲(chǔ)器為一個(gè)總?cè)萘?4字節(jié)的存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器被分為8頁(yè)，每頁(yè)8字節(jié)，頁(yè)地址為00——07H.其中第00頁(yè)是訪問(wèn)頻率最高的頁(yè)，該頁(yè)的結(jié)構(gòu)如表2所列。
表2DS2438存儲(chǔ)器第00頁(yè)結(jié)構(gòu)
字節(jié)序號(hào)名稱(chēng)內(nèi)容讀/寫(xiě)特性易失特性DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00狀態(tài)/配置寄存器XADBNVTBADEECAIAD讀非易失1溫度低位寄存器2-12-22-32-42-5000讀非易失2濕度高位寄存器S26252423222120讀非易失3電壓低位寄存器2726252423222120讀非易失4電壓高位寄存器0000002928讀非易失5電流低位寄存器0000002928讀非易失6電流高位寄存器SSSSSSS28讀非易失7閾值寄存器TH2TH1000000讀/寫(xiě)易失
第1頁(yè)為電流累加器、逝去時(shí)間計(jì)數(shù)器和電流補(bǔ)償單元；每2頁(yè)包括非易失性時(shí)間和充電時(shí)間標(biāo)記；第3——7頁(yè)是40字節(jié)的提供給用戶(hù)使用的E2PROM,可用于保存用戶(hù)數(shù)據(jù)。
2.2寄存器
DS2438所有的寄存器都映射到上述的存儲(chǔ)器中，同時(shí)對(duì)DS2438的操作都是通過(guò)寄存器進(jìn)行的。
圖2DS2438內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
�。�1）狀態(tài)寄存器
狀態(tài)寄存器位于存儲(chǔ)器00頁(yè)的第0字節(jié)，該寄存器用于DS2438的功能控制，其中各位的默認(rèn)值為1,含義如下：
*IAD為電流A/D控制位。IAD=1,啟用電流A/D和ICA,且以32Hz速率測(cè)量電流；IAD=0,禁用電流A/D和ICA.
*CA為電流累加器配置位。CA=1,啟用CCA/DCA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)且可從第7頁(yè)恢復(fù)數(shù)據(jù)；CA=0,禁用CCA/DCA,第7頁(yè)可用于普通E2PROM存儲(chǔ)。
*EE為隱蔽電流累加器位。EE=1,將CCA/DCA計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)隱蔽到E2PROM,電量每增加0.32C,當(dāng)前計(jì)數(shù)器加1;EE=0,CCA/DCA計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)將不隱蔽到E2PROM.
*AD為電壓A/D輸入選擇位。AD=1,電壓A/D選擇由VDD端輸入；AD=0,電壓A/D選擇由VAD端輸入。
*TB為溫度轉(zhuǎn)換忙標(biāo)志位。TB=1,溫度轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；TB=0,溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束。
*NVB為非易失存儲(chǔ)忙標(biāo)志位。NVB=1,在從可擦除區(qū)復(fù)制到E2PROM的存儲(chǔ)過(guò)程中；NVB=0,非易失存儲(chǔ)空閑狀態(tài)。一次E2PROM存儲(chǔ)占用2——10ms.
*ADB為A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志位，ADB=1,電壓A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；ADB=0,轉(zhuǎn)換結(jié)束或無(wú)測(cè)量。一次A/D轉(zhuǎn)換占用約10ms.
*X為不定位。
�。�2）溫度寄存器
DS2438可在-55——+125℃范圍內(nèi)以0.03125℃的分辨率測(cè)量溫度值，溫度值為2的碼形式通過(guò)2字節(jié)溫度寄存器輸出。其中符號(hào)位S指示溫度值為正或負(fù)；S=0,溫度值為正；S=1,溫度值為負(fù)。
�。�3）電壓寄存器
DS2438的電壓輸入范圍是0——10V,且電壓ADC的輸入，可通過(guò)狀態(tài)/結(jié)構(gòu)寄存器的AD位來(lái)選擇由VDD輸入或由VAD輸入。電壓A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果放在2字節(jié)電壓寄存器中，單位為mV.
�。�4）電流寄存器
DS2438通過(guò)測(cè)量電流取樣電阻RSENS兩端的電壓來(lái)間接測(cè)量流過(guò)電池的電流。采用10位ADC,其分辨率為0.005C,電流測(cè)量值的結(jié)果放在2字節(jié)的電流寄存器中其中電流測(cè)量符號(hào)位S,用于指示充電或放電。
2.3單總線協(xié)議
DS2438是Dallas公司基于單總線的器件。該器件的操作完全遵循單總線協(xié)議，其ROM命令有4個(gè)。
�、僮xROM[33H];
�、谄ヅ銻OM[55H];
�、厶^(guò)ROM[F0H].
主機(jī)在操作DS2348之前，必須先發(fā)送上述4個(gè)ROM命令中的一個(gè)。在DS2438成功執(zhí)行上述命令之后，主機(jī)可使用下面的內(nèi)存命令操作DS2438.
由于DS2438的內(nèi)存分為7頁(yè)，故其內(nèi)存操作命令和其它的單總線器件略有不同。DS2438的內(nèi)存操作命令如下：
�、賹�(xiě)高速暫存存儲(chǔ)器[4EHXXH];
�、谧x高速暫存存儲(chǔ)器[BEHXXH];
�、圩x制高速暫存存儲(chǔ)器[48HXX];
④恢復(fù)存儲(chǔ)器[B8HXXH];
�、轀囟绒D(zhuǎn)換命令[44H];
⑥電壓轉(zhuǎn)換命令[B4H].
上述內(nèi)存命令中的XXH為高速暫存存儲(chǔ)器的頁(yè)地址，有效的頁(yè)碼地址為00——07H.
DS2438對(duì)高速暫存存儲(chǔ)器的操作中，除了基本的命令外，還必須將等操作的高暫存存儲(chǔ)器的頁(yè)地址送出去。DS2438允許1次讀/寫(xiě)1頁(yè)內(nèi)的全部8個(gè)字節(jié)，且讀寫(xiě)字節(jié)操作可使用復(fù)位命令在任何瞬間終止。
值得注意的是，DS2438的溫度轉(zhuǎn)換命令及電壓轉(zhuǎn)換命令發(fā)出后，主機(jī)需等待10——20ms,以使DS2438完成溫度及電壓轉(zhuǎn)換；同時(shí)，若采用寄生電源供電，應(yīng)將總線拉高，以保證充足的能量供應(yīng)。
3DS2438在單總線微網(wǎng)中的應(yīng)用
下面給出將DS2438應(yīng)用于單總線微網(wǎng)的具體實(shí)例：?jiǎn)慰偩�溫度傳感器設(shè)計(jì)。溫度的測(cè)量在倉(cāng)儲(chǔ)檢測(cè)、生產(chǎn)制造及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，但濕度的測(cè)量卻較困難。原因是溫度傳感器大都為模擬小信號(hào)輸出，且在線性度、重復(fù)性、一致性等方面不盡如意。如果能夠利用現(xiàn)有的模擬濕度傳感器，設(shè)計(jì)出基于單總線的數(shù)字式濕度傳感器，則可配合單總線微網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成全數(shù)字化的多點(diǎn)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，如數(shù)字化糧情檢測(cè)、數(shù)字化倉(cāng)儲(chǔ)檢測(cè)系統(tǒng)等。即可降低系統(tǒng)布線費(fèi)用，又可提高系統(tǒng)性能，因而具有非常不定期實(shí)的意義。這里，利用模擬大信號(hào)相對(duì)濕度傳感器并配合DS2438,設(shè)計(jì)出一種完全符合單總線協(xié)議的濕度傳感器（電路參見(jiàn)圖4）。
3.1濕度傳感器
由于單總線微網(wǎng)采用寄存電源的方式向單總線器件供電，因此，要求掛接在單總線微網(wǎng)上的器件必須滿(mǎn)足低功耗的要求。這里，選用了具有低功耗特性的模擬大信號(hào)濕度傳感器HIH-3610.HIH-3610是美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的相對(duì)濕度傳感器。該傳器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時(shí)在內(nèi)部集成了信號(hào)處理功能電路，因此，可完成將相對(duì)濕度值變換成電容值，再將電容傳轉(zhuǎn)換成線性的電壓輸出。同時(shí)該傳感器還具精度高、響應(yīng)快速、高穩(wěn)定性、低溫漂、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)及互換性好等優(yōu)點(diǎn)，其性能指標(biāo)如表3所列，輸出電壓與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線如圖3所示。
表3HIH-3610濕度傳感器性能指標(biāo)
參數(shù)指標(biāo)RH精度±2%RH,0——100%RH非凝結(jié)，25℃（DC供電電壓=5V）RH互換性±5%RH,0——60%RH;±8%@90%RHRH線懷±0.5%RH典型值RH遲滯±1.2%的RH最大量程RH重復(fù)性0.5%RHRH反應(yīng)時(shí)間/s30（慢流動(dòng)的空氣中，1/e@25℃）RH穩(wěn)定性±1%RH典型值，50%RH,5年時(shí)間內(nèi)DC供電電壓/V4——9（傳感器在DC5V下標(biāo)定）消耗電流/mA0.2（DC5V）；2（典型值，DC9V）輸出電壓Vout=Vsuppl[0.0062（sensor%RH）+0.16]溫度補(bǔ)償RH（sensor%RH）/（1.0546-0.0216t）
由性能指標(biāo)及輸出電壓與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線，可得出如下結(jié)論。
�、貶IH-3610在供電電壓為5V時(shí)，其消耗電流僅為200μA,完全可滿(mǎn)足單總線微網(wǎng)對(duì)器件低功耗的要求。
�、贖IH-3610輸出電壓為
Vout=Vsupply[0.0062（sensor%RH）+0.16]
即輸出電壓Vout不僅正比于濕度測(cè)量值，且與電源電壓值Vsupply圾關(guān)。若Vsupply固定為5V,則其值僅由相對(duì)濕度值決定，但由于單總線上的供電電壓值為變量，故要求在進(jìn)行濕度測(cè)量的同時(shí)還應(yīng)測(cè)量電源電壓Vsupply的值。
�、跦IH-3610輸出的濕度值還與環(huán)境溫度有關(guān)，故應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為
RH=（sensor%RH）/1.0546-0.0216t
因此，為得到準(zhǔn)確的濕度測(cè)量值，還應(yīng)在測(cè)量濕度的同時(shí)測(cè)量環(huán)境濕度和單總線供電電壓值。
3.2DS2438與傳感器接口
本系統(tǒng)中利用DS2438來(lái)同時(shí)完成對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量、單總線電源電壓的測(cè)量及濕度傳感器輸出電壓值的測(cè)量。由圖4可知，為了滿(mǎn)足寄生電源工作的要求，為傳感器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電源電路。電源電路由VD1、VD2及電容C1構(gòu)成。其中二極管VD2和電容C1構(gòu)成半波整流電路，在總線空閑時(shí)為DS2438和HIH-3610供電。DS2438的5腳VDD端的電位即是HIH-3610的電源電壓。通過(guò)編程DS2438內(nèi)部的狀態(tài)/結(jié)構(gòu)寄存器的“AD”位，使二通道電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入選擇為VDD端，可完成HIH-3610電源電壓測(cè)量功能。通過(guò)編程狀態(tài)/結(jié)構(gòu)寄存器的“AD”位，使二通道電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入選擇為VAD端，即HIH-3610的濕度電壓值輸出端可完成濕度值測(cè)量功能，環(huán)境溫度的測(cè)量可由DS2438內(nèi)部的濕度傳感器完成，因此，使用1片DS2438即可完成濕度值的測(cè)量，并可由相應(yīng)的軟件算法實(shí)現(xiàn)電源電壓的校正及環(huán)境溫度補(bǔ)償。
3.3單片機(jī)與傳感器的接口
單片機(jī)與單總線濕度傳感器的接口電路如圖4所示。
圖4單總線濕度傳感器及與單片機(jī)的接口
單片機(jī)選用AT89C52單片機(jī)。這里利用單片機(jī)的P1.0口線作為單總線接口；單總線濕度傳感器采用寄存電源供電方式；P1.0口線外接一只4.7kΩ的上拉電阻，可在總線空閑時(shí)向濕度傳感器提供能量。
3.4軟件編程
網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版中，給出單總線濕度傳感器相關(guān)的數(shù)據(jù)采集程序，包括讀濕度測(cè)量值、讀單總線供電電壓值及讀濕度值子程序。
結(jié)語(yǔ)
由DS2438構(gòu)成的單總線數(shù)字式濕度傳感器，硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與單總線微網(wǎng)的連接也十分簡(jiǎn)單；可輕松構(gòu)成多點(diǎn)數(shù)字式濕溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因而DS2438在類(lèi)似的單總線微網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。
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