摘要：目前DS18B20數(shù)據的采集方法，存在不能自動更新DS18B20序列號和定位DS18B20的不足，因此不能及時進行 DS18B20的更換。本課題利用單片機I／O端口號" title="端口號">端口號和DS18B20的溫度報警觸發(fā)器(TH和TL)，作為在外部存儲器中的存儲地址和DS18B20的物理地址，實現(xiàn)了DS18B20和ROM序列號的自動更新，和溫度數(shù)據的準確定位。并給出了軟、硬件設計" title="硬件設計">硬件設計。
關鍵詞：DS18B20 AVR單片機；單總線
0 引言
溫度監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)、農業(yè)和醫(yī)療領域擁有很大的應用價值和前景。隨著計算機技術、測量技術和無線通信技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工監(jiān)控由于存在很多缺點，正在逐漸被電子監(jiān)控所代替?，F(xiàn)有的一根I／O線上連接多個DS18B20的數(shù)據采集方法，在DS18B20接入系統(tǒng)之前，需要采用人工方式將DS18B20的64位ROM序列號逐一讀出，并在單片機程序中或外部存儲器中進行存儲。這種方法給DS18B20物理位置的確定帶來了困難，特別是當更換出現(xiàn)故障的DS18B20時，這個問題變得尤為突出。
因此，本課題通過采用軟件編程與硬件設計相結合的方式，解決了在AVR單片機與DS18B20結合的測溫系統(tǒng)中數(shù)字傳感器" title="數(shù)字傳感器">數(shù)字傳感器的更換問題。在本課題提出的解決方案中，數(shù)據采集模塊采用低功耗AVR單片機-Atmega16、單總線" title="單總線">單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20以及外部存儲器-低能耗串行EEP-ROM。系統(tǒng)根據DS18B20數(shù)量的多少，可以選擇基于MAX485的有線組網，也可以選擇基于nRF905或ZigBee的分布式無線組網。
1 DS18B20簡介
1．1 概述
DS18B20是由美國DALLAS(達拉斯)公司生產的高性能單線數(shù)字式溫度傳感器。該傳感器提供9到12位溫度讀數(shù)；可實現(xiàn)-55℃到+125℃范圍內的溫度測量，增量值為0．5℃?，F(xiàn)場測量的溫度值通過單總線接口傳給微處理器，多個DS18B20可以存在于同一條單線總線上。因此，在實際應用中可以在多個不同的地方放置DS18B20，并將這些傳感器接在同一條單線總線上，由一個單片機進行控制。對DS18B20數(shù)字傳感器供電有兩種方式：一是寄生電源供電" title="電源供電">電源供電；二是外部電源供電。每個DS18B20在出廠時都有一個唯一的64位編號，存放在內部ROM中。
1．2 引腳說明
DS18B20只有三個引腳：一個是GDN(電源地)；一個是VDD(當采用寄生電源供電時，VDD接地；若采用外部電源供電時，VDD接工作電源 )；還有一個引腳是DQ(數(shù)據輸入／輸出引腳)。
1．3 硬件電路
1．3．1 寄生電源供電電路
1．3．2 外部電源供電電路
采用寄生電源供電時，VDD引腳必須接地，由I／O引腳為DS18B20提供電源電流。采用外部電源供電時，VDD接外部電源，為DS18B20提供電源電流。寄生電源有雙重優(yōu)點：a．利用此引腳，遠程溫度檢測無需本地電源；b．缺少正常電源條件下也可以讀ROM。但是這種供電方式無法保證在數(shù)據轉換期間的供電，從而DS18B20無法進行精確地溫度轉換。當多個DS18B20掛在同一根I／O線上并同時進行溫度轉換時，這個問題變得更加明顯。所以本課題采用外部電源供電方式，以達到提高溫度轉換精確度的目的。
1．4 內部結構
DS18B20內部主要包括：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。如圖3所示：
1．4．1 64位光刻ROM
用于存儲64位序列號。該序列號是DS18B20的唯一編號，在出廠前被光刻在64位ROM中。DS18B20在與單片機通信時，用此序列號以區(qū)別其它傳感器。64位序列號可以看作是DS18B20的地址序列碼。
64位光刻ROM的位排列是：低8位是產品類型標號；接著的48位是該DS18B20的自身序列號；最后高8位是低56位的循環(huán)冗余校驗碼，該8位又被單獨提出，稱為CRC發(fā)生器，主要是實現(xiàn)串行通信中的數(shù)據校驗，判斷接收的數(shù)據是否正確。64為序列號的作用，是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20。
1．4．2 非易失性溫度報警觸發(fā)器
DS18B20的溫度報警觸發(fā)器TH和TL各由一個非易失性EEPROM字節(jié)構成，如果沒有對DS18B20使用報警搜索指令，可以作為一般的EEPROM存儲器使用。利用每個DS18B20唯一的序列號可讀取同一根I／O線上的多個DS18B20的溫度數(shù)據，利用I／O端口號和已經寫入層數(shù)信息的DS18B20的溫度報警觸發(fā)器(TH和TL)，可將每個DS18B20的溫度數(shù)據和其物理位置對應起來。因此在DS18B20安裝之前，就需將DS18B20所在層的信息寫入到溫度報警觸發(fā)器(TH和TL)中。
2 DS18B20與AVR單片機的連接
在本課題中DS18B20采用寄生電源供電，單片機選用AVR單片機-Atmega16。之所以選擇AVR單片機，是因為其具有51單片機無法提供的優(yōu)點：a．讀寫速度快，AVR單片機采用了大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32個通用工作寄存器組成。AVR用32個通用寄存器代替累加器，避免了傳統(tǒng)的累加器與存儲器之間的數(shù)據傳送，可在一個時鐘周期內執(zhí)行一條指令來訪問兩個獨立的寄存器，代碼效率比常規(guī)CISC微控制器快十倍。高效的讀寫速度，更適合于對及時性要求高的場合。b．性價比高。c．工作電壓范圍寬(2．7～6V)、抗干擾能力強，這樣更適合在各種條件下處理測量溫度值。總之，AVR單片機在一個芯片內將增強性能的RISC 8位CPU與可下載的FLA-SH相結合使其成為適合于許多要求、具有高度靈活性和低成本的嵌入式高效微控制器。
圖4給出了DS18B20采用外部電源供電方式時，與Atmega16單片機的硬件連接圖。
3 DS18B20更新問題的解決方案
本課題在深入研究了數(shù)字傳感器工作機理的基礎上，通過硬件設計和軟件編程，提出了解決數(shù)字傳感器更換的方案，并應用在了通過無線傳感器網絡遠程控制傳感器的設計中，而且在硬件平臺上實現(xiàn)了仿真。圖5是通過Proteus 7單片機軟件仿真系統(tǒng)設計的，單片機控制DS18-B20并顯示測試結果的電路圖。
3．1 硬件設計
單片機通過I／O口控制DS18B20，每個I／O口外接60個DS18B20，同時單片機通過SPI串行接口外接外部存儲器EEPROM，如圖6所示。
本課題中，外部存儲器EEPROM選用意法半導體(ST)生產的M95128；選用Atmega16單片機。DS18B20采用外部電源供電方式，所以VCC接外部電源，GDN接地。
M95128芯片采用MLP8微型封裝技術，因此，可以大大節(jié)省產品的空間和成本；待機功耗低于3μA，也是該芯片的一大特點；四線的SPI接口支持最高 2 Mbit／s的通信速率，除提供標準的硬件寫保護功能外，還支持軟件寫保護。外部存儲器EEPROM用來存放單片機控制的所有DS1-8B20的序列號，和對應的邏輯地址。一個DS18B20的序列號占八個字節(jié)，所以一路數(shù)據線上所接DS18B20溫度傳感器的個數(shù)與外部存儲器EEPR-OM的存儲空間有關。M95128芯片的容量達128kbit，可以存儲13107個DS18B20的序列號和對應的邏輯地址，足以滿足本課題的需要。
單片機Atmega16的PB5(MOSI)口接EEPROM的DI(數(shù)據輸入)口，PB6(MISO)口接DO(數(shù)據輸出)口，PB7(SCK) 口接SK(讀寫時鐘信號輸入引腳)。單片機讀到每個DS18B20的序列號后，通過PB5口將序列號和對應的邏輯地址寫入EEPROM中。需要某個邏輯地址對應的序列號時，EEPROM通過DO口將序列號傳入單片機中。
3．2 軟件設計
本課題設計使單片機每次上電時，都重新讀取每根數(shù)據線上的每個DS18B20的序列號和溫度報警器中的內容，I／O端口號+溫度報警觸發(fā)器中的層信息即為該DS18B20的邏輯地址。單片機將讀取到的各DS18B20的序列號與其對應的邏輯地址，通過MOSI引腳保存在外部存儲器EEP-ROM中。在控制模塊" title="控制模塊">控制模塊的固化程序中，只涉及傳感器的邏輯地址。當需要訪問某個傳感器時，單片機會根據固化程序中的邏輯地址在EEPROM中查找該邏輯地址對應的 DS18B20序列號，從而找到需要訪問的傳感器。在更換了某個DS18B20時，只需給單片機重新上電，微控制會更新EEPRO-M，而不需修改控制模塊中的固化程序。
本課題中，使用ICCAVR編譯器作為軟件開發(fā)環(huán)境，編譯C語言程序代碼。向EEPROM中保存序列號的程序流程圖如圖7所示。
根據控制模塊中涉及的邏輯地址，單片機在EEPROM中查找對應的DS18B20的序列號的程序流程如圖8所示。
4 結語
無線測溫系統(tǒng)的應用前景非常廣闊。本課題提出的通過外接EEPROM存儲器，保存DS18B20的序列號和對應的邏輯地址的方案，解決了 DS-18B20的更新問題。可以極大地提高技術人員及工作人員的工作效率；同時，由于在通信鏈路中傳輸?shù)氖沁壿嫷刂?，所以減少了鏈路中的冗余信息，增加有效信息的傳輸，提高無線傳輸效率。因此，本課題設計的溫度采集系統(tǒng)具有運行速率快、性能穩(wěn)定、數(shù)字化程度高、便于維護等特點。此系統(tǒng)在各類數(shù)字通信、環(huán)境監(jiān)測、安防系統(tǒng)等多個領域具有廣泛的應用價值。并且已經在CX-AT16硬件平臺上實現(xiàn)了仿真。