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償功能的單總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；介紹器件性能特點、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)用實例。

    關(guān)鍵詞：單總線微網(wǎng) 測控系統(tǒng) 單片機 傳感器

1 概述

在數(shù)字化測控系統(tǒng)中，由于單總線微網(wǎng)僅使用1根導(dǎo)線進行雙向數(shù)據(jù)傳送，并同時為遠(yuǎn)端器件提供電源，既降低了測控系統(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；而測控系統(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量精度，就必須進行相應(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，也必須進行相應(yīng)的溫度補償。

上述問題如果采用基于單總線的普通A/D轉(zhuǎn)換器件予以解決，會使相應(yīng)的硬件電路及軟件編程過于復(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題。下面首先介紹該器件，并重點介紹該器件與測控系統(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)的實時監(jiān)測而推出的，主要性能特點如下：

①單總線器件，僅需1根口線實現(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0.031 25℃；

③片內(nèi)10位二通道電壓A/D轉(zhuǎn)換器，最小分辨率為10mV；

④片內(nèi)10位電流A/D轉(zhuǎn)換器；

⑤片內(nèi)40字節(jié)非易失性用戶存儲器；

⑥片內(nèi)逝去時間計數(shù)器，完成充放電時間計時；

⑦單電源工作，低功耗特性；

⑧工作溫度范圍為-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，引腳功能說明見表1。

表1 DS2438引腳功能說明

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，以滿足VDD電源端及外部輸入模擬量VAD的測量要求。

2.1 器件存儲單元

DS2438存儲器類型包括易失性的SRAM和非易失性的E2PROM。DS2438內(nèi)部的存儲器為一個總?cè)萘?4字節(jié)的存儲器。存儲器被分為8頁，每頁8字節(jié)，頁地址為00～07H。其中第00頁是訪問頻率最高的頁，該頁的結(jié)構(gòu)如表2所列。

表2 DS2438存儲器第00頁結(jié)構(gòu)

第1頁為電流累加器、逝去時間計數(shù)器和電流補償單元；每2頁包括非易失性時間和充電時間標(biāo)記；第3～7頁是40字節(jié)的提供給用戶使用的E2PROM，可用于保存用戶數(shù)據(jù)。

2.2 寄存器

DS2438所有的寄存器都映射到上述的存儲器中，同時對DS2438的操作都是通過寄存器進行的。

圖2 DS2438內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

    （1）狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器位于存儲器00頁的第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存儲數(shù)據(jù)且可從第7頁恢復(fù)數(shù)據(jù)；CA=0，禁用CCA/DCA，第7頁可用于普通E2PROM存儲。

*EE為隱蔽電流累加器位。EE=1，將CCA/DCA計數(shù)器數(shù)據(jù)隱蔽到E2PROM，電量每增加0.32C，當(dāng)前計數(shù)器加1；EE=0，CCA/DCA計數(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)換正在進行；TB=0，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束。

*NVB為非易失存儲忙標(biāo)志位。NVB=1，在從可擦除區(qū)復(fù)制到E2PROM的存儲過程中；NVB=0，非易失存儲空閑狀態(tài)。一次E2PROM存儲占用2～10ms。

*ADB為A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志位，ADB=1，電壓A/D轉(zhuǎn)換正在進行；ADB=0，轉(zhuǎn)換結(jié)束或無測量。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0.031 25℃的分辨率測量溫度值，溫度值為2的碼形式通過2字節(jié)溫度寄存器輸出。其中符號位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，可通過狀態(tài)/結(jié)構(gòu)寄存器的AD位來選擇由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通過測量電流取樣電阻RSENS兩端的電壓來間接測量流過電池的電流。采用10位ADC，其分辨率為0.005C，電流測量值的結(jié)果放在2字節(jié)的電流寄存器中其中電流測量符號位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。

①讀ROM[33H]；

②匹配ROM[55H]；

③跳過ROM[F0H]。

主機在操作DS2348之前，必須先發(fā)送上述4個ROM命令中的一個。在DS2438成功執(zhí)行上述命令之后，主機可使用下面的內(nèi)存命令操作DS2438。

由于DS2438的內(nèi)存分為7頁，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：

①寫高速暫存存儲器[4EHXXH]；

②讀高速暫存存儲器[BEHXXH];

③讀制高速暫存存儲器[48HXX]；

④恢復(fù)存儲器[B8HXXH];

⑤溫度轉(zhuǎn)換命令[44H]；

⑥電壓轉(zhuǎn)換命令[B4H]。

上述內(nèi)存命令中的XXH為高速暫存存儲器的頁地址，有效的頁碼地址為00～07H。

DS2438對高速暫存存儲器的操作中，除了基本的命令外，還必須將等操作的高暫存存儲器的頁地址送出去。DS2438允許1次讀/寫1頁內(nèi)的全部8個字節(jié)，且讀寫字節(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，主機需等待10～20ms，以使DS2438完成溫度及電壓轉(zhuǎn)換；同時，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)。

3 DS2438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)的具體實例：單總線溫度傳感器設(shè)計。溫度的測量在倉儲檢測、生產(chǎn)制造及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，但濕度的測量卻較困難。原因是溫度傳感器大都為模擬小信號輸出，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)字化的多點溫濕度測量系統(tǒng)，如數(shù)字化糧情檢測、數(shù)字化倉儲檢測系統(tǒng)等。即可降低系統(tǒng)布線費用，又可提高系統(tǒng)性能，因而具有非常不定期實的意義。這里，利用模擬大信號相對濕度傳感器并配合DS2438，設(shè)計出一種完全符合單總線協(xié)議的濕度傳感器（電路參見圖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濕度傳感器HIH-3610。HIH-3610是美國Honeywell公司生產(chǎn)的相對濕度傳感器。該傳器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時在內(nèi)部集成了信號處理功能電路，因此，可完成將相對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)腐蝕性能強及互換性好等優(yōu)點，其性能指標(biāo)如表3所列，輸出電壓與相對濕度的關(guān)系曲線如圖3所示。

表3 HIH-3610濕度傳感器性能指標(biāo)

由性能指標(biāo)及輸出電壓與相對濕度的關(guān)系曲線，可得出如下結(jié)論。

①HIH-3610在供電電壓為5V時，其消耗電流僅為200μA，完全可滿足單總線微網(wǎng)對器件低功耗的要求。

②HIH-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，故要求在進行濕度測量的同時還應(yīng)測量電源電壓Vsupply的值。

③HIH-3610輸出的濕度值還與環(huán)境溫度有關(guān)，故應(yīng)進行溫度補償，補償公式為

RH=(sensor%RH)/1.0546-0.0216t

因此，為得到準(zhǔn)確的濕度測量值，還應(yīng)在測量濕度的同時測量環(huán)境濕度和單總線供電電壓值。

3.2 DS2438與傳感器接口

本系統(tǒng)中利用DS2438來同時完成對環(huán)境溫度的測量、單總線電源電壓的測量及濕度傳感器輸出電壓值的測量。由圖4可知，為了滿足寄生電源工作的要求，為傳感器設(shè)計了相應(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電源電壓測量功能。通過編程狀態(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量功能，環(huán)境溫度的測量可由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量，并可由相應(yīng)的軟件算法實現(xiàn)電源電壓的校正及環(huán)境溫度補償。

3.3 單片機與傳感器的接口

單片機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的接口

    單片機選用AT89C52單片機。這里利用單片機的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，可在總線空閑時向濕度傳感器提供能量。

3.4 軟件編程

網(wǎng)絡(luò)補充版（http://www.dpj.com.cn）中，給出單總線濕度傳感器相關(guān)的數(shù)據(jù)采集程序，包括讀濕度測量值、讀單總線供電電壓值及讀濕度值子程序。

結(jié)語

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)簡單，與單總線微網(wǎng)的連接也十分簡單；可輕松構(gòu)成多點數(shù)字式濕溫度監(jiān)測系統(tǒng)，因而DS2438在類似的單總線微網(wǎng)測控系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。