單總線數(shù)字溫度傳感器的自動識別技術(shù)
    在多點溫度測量系統(tǒng)中，單總線數(shù)字溫度傳感器(例如DS18X20)因其體積小、構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛。每一個數(shù)字溫度傳感器內(nèi)均有的64位序列號(8位是產(chǎn)品代碼，其后48位是器件序列號，最后8位是前56位循環(huán)冗余校驗碼)，只有獲得該序列號后才可能對其進(jìn)行操作，也才能在多傳感器系統(tǒng)中將它們一一識別。實際應(yīng)用時的一般做法是：將每一個傳感器的序列號測出，以表格的形式和程序存放在一起，并且給每個測溫點編上號，做成標(biāo)簽粘貼在對應(yīng)的傳感器上。當(dāng)系統(tǒng)中有傳感器故障時，必須由專業(yè)人員測出備用的傳感器序列號，貼上相應(yīng)的標(biāo)簽，并在程序中修改表格，再將程序固化到程序存儲器中。顯然，這樣做非常不利于系統(tǒng)維護(hù)。

現(xiàn)有的單總線數(shù)字溫度傳感器的文獻(xiàn)很少涉及自動識別序列號和排序(即與測量點對應(yīng))的問題，文獻(xiàn)1給出了一種方法：通過特制的編碼器，將一個傳感器的序列號讀出，并將其中48位器件序列號轉(zhuǎn)換成BCD碼，再通過手動撥盤將測溫點編號撥入編碼器，與器件序列號一起寫入到傳感器內(nèi)的上下限溫度報警寄存器TH/TL中(兩個字節(jié)的EEPROM)。使用該方法，系統(tǒng)可以由運行人員來維護(hù)，并減少維護(hù)工作量，但仍有缺點：需要專門的編碼器，維護(hù)工作量減少得仍不夠；必須是在TH/TL不使用的前提下。本文給出一種方法，只需在系統(tǒng)中增加一片EEPROM芯片，通過編程，可實現(xiàn)多個傳感器的出錯指示、自動識別。

二、硬件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)電路原理圖

圖1為系統(tǒng)電路原理圖，主要由PIC單片機(jī)PIC16C63、四位LED顯示器、鎖存器74LS373、二-四譯碼器74LS139、2KB的EEPROM存儲器DCM0016C、撥位開關(guān)K以及數(shù)字溫度傳感器DS18B20等組成。PIC系列單片機(jī)是一種采用精簡指令集(RISC)、哈佛(Harvard)雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性價比的8位嵌入式控制器，I/O口線直接驅(qū)動LED，片內(nèi)有4KB的程序存儲器和256B的數(shù)據(jù)存儲器?？呻姼膶懙腄CM0016C主要用于存儲DS18B20的序列號。LED顯示器用于顯示各測量點的編號、溫度以及傳感器故障時的指示。撥位開關(guān)K在系統(tǒng)正常運行時處于打開狀態(tài)，需要更換傳感器時將其撥至閉合位置，單片機(jī)調(diào)用相應(yīng)的子程序進(jìn)行傳感器自動識別。圖中數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)考慮了兩種結(jié)構(gòu)：總線結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)?？偩€結(jié)構(gòu)是指在一根I/O口線上掛接若干只溫度傳感器，星型結(jié)構(gòu)則在若干根I/O口線上分別掛接若干只溫度傳感器(圖中虛線表示)。實際應(yīng)用時考慮單總線的驅(qū)動能力、布線問題，更多地是采用星型結(jié)構(gòu)，同時這種結(jié)構(gòu)更容易對多個溫度傳感器進(jìn)行出錯指示、自動識別其序列號和排序。

三、總線結(jié)構(gòu)的傳感器識別

1、獲取序列號的ROM操作命令

操作單總線數(shù)字溫度傳感器必須嚴(yán)格按規(guī)定的協(xié)議操作，即應(yīng)按以下順序操作：初始化、ROM操作命令、暫存存儲器操作命令。在ROM操作命令中，有兩條命令專門用于獲取傳感器序列號：讀ROM命令(33H)和搜索ROM命令(F0H)。讀ROM命令只能在總線上僅有一個傳感器的情況下使用。搜索ROM命令則允許總線主機(jī)使用一種 消去 處理方法來識別總線上所有的傳感器序列號。搜索過程為三個步驟：讀一位，讀該位的補碼，寫所需位的值?？偩€主機(jī)在ROM的每一位上完成這三個步驟，在全部過程完成后，總線主機(jī)便獲得一個傳感器ROM的內(nèi)容，其他傳感器的序列號則由相應(yīng)的另外一個過程來識別。具體的搜索過程為：

(1)總線主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖進(jìn)行初始化，總線上的傳感器則發(fā)出存在脈沖做出響應(yīng)；

(2)總線主機(jī)在單總線上發(fā)出搜索ROM命令；

(3)總線主機(jī)從單總線上讀一位。每一個傳感器首先把它們各自ROM中的一位放到總線上，產(chǎn)生 線與 ，總線主機(jī)讀得 線與 的結(jié)果。接著每一個傳感器把它們各自ROM中的一位的補碼放到總線上，總線主機(jī)再次讀得 線與 的結(jié)果?？偩€主機(jī)根據(jù)以上讀得的結(jié)果，可進(jìn)行如下判斷：結(jié)果為00表明總線上有傳感器連著，且在此數(shù)據(jù)位上它們的值發(fā)生沖突；為01表明此數(shù)據(jù)位上它們的值均為0；為10表明此數(shù)據(jù)位上它們的值均為1；11表明總線上沒有傳感器連著；

(4)總線主機(jī)將一個數(shù)值位(0或1)寫到總線上，則該位與之相符的傳感器仍連到總線上；

(5)其它位重復(fù)以上步驟，直至獲得其中一個傳感器的64位序列號。

根據(jù)以上分析，搜索ROM命令可以將總線上所有傳感器的序列號識別出來，但不能將各傳感器與測溫點對應(yīng)起來，即不能實現(xiàn)真正意義上的自動識別。

2、關(guān)系表的建立

以總線上連著8個傳感器為例。系統(tǒng)中使用相同型號的傳感器，因此產(chǎn)品代碼都是一樣的，比如DS18B20為28H，可以只用一個單元存儲該代碼。用DCM0016C的一個單元0000H存儲。剩下的56位序列號用7個字節(jié)單元來存儲。對每個測溫點進(jìn)行編號，與存儲序列號的單元地址建立如表1所示的關(guān)系。

工程調(diào)試時，要設(shè)法將每個測溫點的傳感器序列號寫入對應(yīng)地址的單元中，即用編程方式自動建立表1，則可實現(xiàn)傳感器的自動尋址和排序。程序流程圖如圖2所示。

圖2 建立關(guān)系表的程序流程圖

按圖2編制的程序工作，需要按一定的要求操作：按位置編號由小到大順序插入傳感器。具體工作流程為：

（1）首先檢測總線上是否掛接了傳感器。若沒有，則四位LED顯示器顯示 0000 ；有則識別傳感器的序列號。

（2）識別傳感器序列號。從0位到63位共64位二進(jìn)制數(shù)分別識別出來，若該序列號與EEPROM單元的內(nèi)容不同，說明獲得了一個新的序列號，將其存到相應(yīng)的單元中，并顯示位置編號和 PPPP 。例如，在1號位置插入一個傳感器，單總線上只掛接一個傳感器，很容易將其序列號識別出來，并存入到0001H~0007H單元中；接著在2號位置插入另一個傳感器，單總線上掛接了兩個傳感器，系統(tǒng)首先識別出一個序列號來，若與存儲在0001H~0007H單元的內(nèi)容相同，說明這次識別出的仍是1號傳感器的序列號，不存儲并接著進(jìn)行另一個過程，得到不同的序列號(即2號傳感器的序列號)，將其存儲在0008H~000EH單元中。獲得序列號的同時也就獲得了總線上掛接傳感器的個數(shù)。

由上述知，總線上掛接多個傳感器時，若編制的程序不當(dāng)，可能同一個傳感器要被識別多次，識別時間增長。為了減少識別時間，編程時要注意 需要的位值 取值。傳感器序列號的8位為產(chǎn)品代號， 需要的位值 可按對應(yīng)的值給出，關(guān)鍵是其后的48位器件序列號的識別。這里采用了 完全二叉樹 的排序思想，如圖3所示。具體思路：設(shè)在K位首次發(fā)生數(shù)據(jù)位沖突，這時所有的傳感器分成兩類，即該位為1的傳感器和為0的傳感器。 需要的位值 給1，K位為1的傳感器仍掛接在總線上。若接下來K+M、K+N位發(fā)生數(shù)據(jù)位沖突， 需要的位值 仍分別給1，獲得一個序列號。下一個過程在K、K+M位 需要的位值 仍給1，但在K+N位則給0，獲得另一個傳感器的序列號。第三個過程在K位仍給1，而在K+M位給0，在這條支路上繼續(xù)識別。K位為1的傳感器的序列號識別完后，回到K位時， 需要的位值 給0，按同樣的方法識別該支路的傳感器序列號。按此思路，多個傳感器的序列號只需要分別識別一次。

3、出錯指示

建立關(guān)系表后，編制好程序，系統(tǒng)可投入運行。讀取每個測溫點的溫度時，需要用到 符合 ROM命令，該命令要求將關(guān)系表中的序列號取出送到總線上，只有序列號與之相符的傳感器才掛接在總線上，可讀取其溫度。若相應(yīng)的傳感器出錯，顯然不會有序列號與之相符的傳感器，這時顯示器顯示位置編號和 FFFF ，表明該測溫點的傳感器出錯。

圖3 完全二叉樹

4、更換傳感器后的自動識別

給8個傳感器建立臨時關(guān)系表，占用EEPROM存儲單元地址范圍為：0039H~0070H，將更換后傳感器的序列號存入這些單元中。當(dāng)只有一個傳感器出錯時，臨時關(guān)系表中的序列號與關(guān)系表的序列號比較，只有一個號不同，用該號取代前文所述的關(guān)系表中序列號，即存入對應(yīng)的存儲單元中，便完成了更換傳感器后的自動識別。有兩個及以上傳感器出錯時，若同時將這些傳感器更換掉，則它們的序列號同時進(jìn)入臨時關(guān)系表，將無法進(jìn)行排序，因此更換傳感器時也要按一定的順序進(jìn)行：只能一個一個更換，且位置編號小的先更換；更換一個傳感器，顯示器顯示位置編號和 PPPP 后，再更換下一個傳感器。實現(xiàn)該功能的子程序主要流程：(1)建立臨時關(guān)系表；(2)臨時關(guān)系表的內(nèi)容與關(guān)系表比較。建立臨時關(guān)系表子程序與建立關(guān)系表的程序基本一樣，主要是存儲單元地址不同。建立該表的同時也就獲得了總線上掛接的傳感器數(shù)，該數(shù)據(jù)決定兩個表的比較次數(shù)。

5、星型結(jié)構(gòu)的傳感器識別

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，如圖1所示，RA0、RA1、RA2、RA3、RA4、RA5、RC0為七根單總線，分別掛接若干個傳感器，以掛接8個為例，建立表2所示的關(guān)系表。

因為各單總線分別操作，它們的編程及操作和上述單總線差不多，此處不再詳述。采用星型結(jié)構(gòu)有一個主要優(yōu)點：當(dāng)七根總線上分別只有一個傳感器出錯，按上述編程思想，可以同時更換七個傳感器，有利于系統(tǒng)維護(hù)，工作量相應(yīng)減少。

綜上所述，用簡單的硬件以及編程方法自動建立關(guān)系表，在單總線多點溫度測量系統(tǒng)中實現(xiàn)了數(shù)字溫度傳感器的出錯指示、自動識別，大大有利于系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)，減少維護(hù)工作量，并解決了過去維護(hù)工作必須由專業(yè)人員來完成，而不是由運行人員來完成的不便。