微型溫度測量的數字化方案

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重要因素。在對體積限制很嚴格的條件下，解決了硅微加速度計設計中的內部溫度測量問題。主要討論了內嵌于加速度計的微型數字溫度傳感器DS18B20U的功能特點和使用要點，并且介紹了“一線”網關的硬件及軟件設計。此項技術已有后續的軟件開發實例。

隨著技術的發展，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勢進一步提高的關鍵問題。

1 DS18B20U和“一線”總線

在研制新一代的微型MMS加速度計時，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非主要功能的溫度傳感器了。

縱觀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。在體積非常苛刻的慣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“一線”總線（1-Wire是被MAXIM公司收購的DALLAS公司新擁有的一種獨特的數字信號總線協議，它將獨特的電源線和信號線復合在一起，僅使用一條口線；每個芯片唯一編碼，支持聯網尋址、零功耗等待等，是所需硬件連線最少的一種總線）這種獨特的方式，使多個DS18B20U方便地組建成傳感器網絡，為整個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”總線接口令需一個端口進行通訊。

*簡單的多點分布應用。

*可通過數據線供電。

*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，更詳細的信息可以參考MAXIM公司網站提供的DS18B20的Datasheet(英文版)。

1.1 DS18B20U的溫度測量時間

DS18B20U作為溫度傳感器。

1.2 DS18B20U的“一線”總線標識序號

每一個DS18B20U都有一個唯一的64位的“一線”總線標識序號，存放在DS18B20U的內部ROM（只讀存儲器）中。開始8位是產品類型編碼（DS18B20編碼均為28H），接著的48位是每個器件的唯一序號，最后8位是前面56位的CRC（循環冗余校驗）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8位寄存器，它們存儲的溫度數據由兩個字節組成，分別為LS 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，即數據總線供電方式和外部供電方式。采取數據總線供電方式可以節省一根導線，但由此帶來的缺點是完成溫度測量的時間較長；而采取外部供電方式則多用一根導線，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，在出廠前已寫入片內ROM中。

如圖1所示，當主機需要對眾多在線DS18B20中的某一個進行操作時，首先發出匹配ROM命令（命令代號55h），緊接著主機提供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節點進行統一操作，利用的是跳過ROM命令（命令代號CCh）。而所謂路過ROM命令即可：之后的操作是面對總線上所有DS18B20的。命令序列先跳過ROM，啟動總線上所有DS18B20進行溫度測量，然后通過匹配ROM再逐一地讀回每個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，而且節省時間。

2 “一線”網關的硬件設計

為了收集DS18B20U器件采集的溫度信息，需要控制掛接在“一線”總線網絡上的DS18B20U芯片，所以需要研制“一線”網關。“一線”網關的主要功能就是面對試驗人員，把“一線”總線上的DS18B20U的信息轉換成異步串口232接口中的信息，這相當于兩種類型網絡之間的網關，因此叫做“一線”網關。“一線”網關由一個功能強大的8位單片機P89C668組合各種外圍芯片構成，各模塊之間的關系如圖2所示。下面介紹其設計重點。

2.1

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