王亞林　郭文慧　查文華

摘 要：監(jiān)控煤礦運(yùn)煤皮帶與滾動(dòng)軸之間的摩擦溫度。利用雙CPU實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換和處理，將主控和數(shù)據(jù)處理等功能分開執(zhí)行。利用多個(gè)紅外測(cè)溫傳感器MLX90614，分別固定在各滾軸附近，其簡(jiǎn)單的SCK和SDA接口，直接連接于CPU的普通I/O口，各自對(duì)應(yīng)一個(gè)不同地址，快速完成滾軸溫度檢測(cè)。利用雙端口RAM作為共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，兩個(gè)端口有兩套完全獨(dú)立的控制總線、地址總線和I/O數(shù)據(jù)總線，可獨(dú)立讀/寫任意地址單元，兩個(gè)CPU共享該存儲(chǔ)器，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

關(guān)鍵詞：MLX90614 雙端口RAM 雙CPU 溫度監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（c）-0055-02

礦井皮帶機(jī)運(yùn)煤過(guò)程中，皮帶與滾軸摩擦容易溫度升高，造成了火災(zāi)隱患。設(shè)計(jì)溫度監(jiān)控，及時(shí)觀察溫度異常，并做出防范措施。如果利用接觸式測(cè)溫，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，也受環(huán)境影響大；而利用紅外測(cè)溫，避免了與物體接觸，響應(yīng)速度快，測(cè)溫范圍廣，不受溫度上限的限制，只需沿滾軸方向，分布防止紅外測(cè)量?jī)x，可實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度異常位置；紅外測(cè)溫模塊的數(shù)據(jù)輸出方式以系統(tǒng)管理總線（SMBus）輸出，可以和多個(gè)設(shè)備互傳信息，避免了使用獨(dú)立的控制線路，也避免了在無(wú)法響應(yīng)及處理串行中斷時(shí)，發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者錯(cuò)誤等問(wèn)題。利用雙CPU進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換和處理，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主控制功能，另一個(gè)則完成數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理等功能[1]。

1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

硬件結(jié)構(gòu)框圖的具體功能如下：

（1）接收、處理皮帶運(yùn)行中的溫度狀況，做出超溫報(bào)警提示；

（2）實(shí)時(shí)對(duì)SMBus總線上各個(gè)紅外測(cè)溫模塊的單獨(dú)控制、操作和控制；

（3）傳輸溫度異常的具體位置信息；

（4）能對(duì)溫度參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控。

主控制器是整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的核心，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)所有任務(wù)進(jìn)行響應(yīng)，并加入LCD顯示溫度參數(shù)等。實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)管理、數(shù)據(jù)通信、處理、安全監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)響應(yīng)的功能。溫度監(jiān)控器的硬件框圖如圖1所示。

2 主要元器件介紹

2.1 溫度傳感器硬件電路

紅外測(cè)溫器是由光學(xué)系統(tǒng)、觀點(diǎn)探測(cè)器、信號(hào)放大器、信號(hào)處理器及輸出等部分組成。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置決定。紅外光聚集在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。

紅外溫度傳感器MLX90614AA，其工作電壓為5 V，是單區(qū)域測(cè)溫；內(nèi)部聚集了低噪聲放大、17位A/D轉(zhuǎn)換、可編程FIR和IIR濾波、線性化和補(bǔ)償性等幾大功能；感測(cè)的熱量由傳感器內(nèi)部的熱電偶電壓表征，利用芯片EEPROM中存儲(chǔ)的生產(chǎn)廠設(shè)定的校準(zhǔn)參數(shù)，計(jì)算出物體上下限溫度，標(biāo)注校準(zhǔn)參數(shù)后，精度可達(dá)0.2 ℃，被數(shù)字化處理后保持在內(nèi)部RAM中，需要時(shí)經(jīng)通過(guò)SMBus方式讀取；最終測(cè)量結(jié)果經(jīng)數(shù)字式脈沖寬度調(diào)制后，以PWM方式輸出?？蓽y(cè)溫度范圍在-60 ℃～+350 ℃，滿足皮帶機(jī)溫度升高時(shí)，完成報(bào)警功能。多個(gè)MLX90614可以用于一個(gè)系統(tǒng)中，各自對(duì)應(yīng)一個(gè)不同地址，訪問(wèn)不同的地址即可訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的MLX90614，SCK和SDA直接連接F020的普通I/O口即可[2]。MLX90614外圍接口電路如圖2所示。

2.2 高速雙端口RAM

皮帶機(jī)運(yùn)煤過(guò)程中，當(dāng)滾軸溫度異常升高時(shí)，能及時(shí)高速采集到溫度信息并進(jìn)行處理，是考慮的關(guān)鍵因素之一。利用雙端口RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以數(shù)據(jù)共享方式進(jìn)行傳送，兩個(gè)F020共享該存儲(chǔ)器；本文采用IDT700d雙端口RAM，兩個(gè)端口有兩套完全獨(dú)立的控制總線、地址總線和I/O數(shù)據(jù)總線，允許兩個(gè)F020同時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)器，可獨(dú)立讀/寫任意地址單元，提高了系統(tǒng)或模塊間數(shù)據(jù)傳輸速率，可靠性好，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，解決了競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，訪問(wèn)時(shí)間最大只有幾十ns，最快存取時(shí)間達(dá)到15 ns，無(wú)需插入等待[3]。IDT700d雙端口RAM其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 旗語(yǔ)邏輯仲裁控制電路

RAM片內(nèi)的仲裁電路，能解決數(shù)據(jù)通信中的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)優(yōu)先級(jí)高的端口進(jìn)行讀寫操作，另一端口延遲等待，當(dāng)前者完成讀寫操作后，被延遲端口就可以繼續(xù)工作了。IDT7005內(nèi)部有8個(gè)旗語(yǔ)邏輯仲裁控制電路，用來(lái)將一個(gè)端口的使用狀態(tài)傳送到另一端口，同時(shí)也獨(dú)立于雙端口RAM的鎖存器邏輯電路，在某一段時(shí)間，段內(nèi)RAM只允許一個(gè)CPU對(duì)其分配的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫操作，避免了地址沖突。旗語(yǔ)邏輯電路如圖4所示。

使用過(guò)程中，應(yīng)該為低電平，～用于8個(gè)旗語(yǔ)邏輯電路尋址，數(shù)據(jù)線用于旗語(yǔ)邏輯電路狀態(tài)的寫入和讀出。將IDT7005劃分為高地位兩個(gè)4K存儲(chǔ)區(qū)，旗語(yǔ)邏輯電路0和1分別用來(lái)判別是否有端口占用RAM中的低位和高位存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)1號(hào)端口要對(duì)低位存儲(chǔ)區(qū)操作，則先向旗語(yǔ)電路0寫入“0”，再讀入旗語(yǔ)狀態(tài)，若讀入值為“1”，表示2號(hào)端口在操作該地區(qū)；反之為1號(hào)端口在操作低位區(qū)。當(dāng)2號(hào)口正在操作該低位存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，1號(hào)端口可以通過(guò)循環(huán)查詢旗語(yǔ)狀態(tài)的方式來(lái)等待2號(hào)端口釋放RAM的使用權(quán)。

2.3 SMBus總線介紹

MLX90614數(shù)據(jù)的輸出方式以系統(tǒng)管理總線SMBus的方式輸出，接入F020微控制器時(shí)，作為從器件工作。SMBus是基于的操作原理，具有兩線接口；一線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和電源管理任務(wù)，另一線和其他設(shè)備通信。MLX90614的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序?yàn)椋簲?shù)據(jù)在SCL的上升沿被捕獲，16位數(shù)據(jù)分兩次傳輸，每次傳輸一個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)都是按照高溫（MSB）在前，低位（LSB）在后的方式傳輸，字節(jié)中間的第9個(gè)時(shí)鐘是應(yīng)答時(shí)鐘[4]。

2.3.1 總線讀器件格式

讀EEPROM還是RAM的數(shù)據(jù)，由命令決定，讀數(shù)據(jù)格式如圖5所示。endprint

當(dāng)主機(jī)讀MLX90614時(shí)，先寫控制碼，在讀數(shù)據(jù)，主機(jī)每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)開始查詢應(yīng)答信號(hào)，再收到一個(gè)字節(jié)就給出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)；先向從器件發(fā)送器件地址和寫數(shù)據(jù)命令，沒(méi)有應(yīng)答則再次發(fā)送器件地址，收到后開始發(fā)送要進(jìn)行的操作命令字節(jié)，再次接收應(yīng)答信號(hào)，沒(méi)有收到，全部重發(fā)進(jìn)行前面的兩次操作。接著從器件連續(xù)向主機(jī)發(fā)送要讀取的字和錯(cuò)誤信息碼，單片機(jī)每收到一個(gè)字節(jié)，則發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)給從器件。

2.3.2 總線寫器件格式

由于MLX90614的RAM是只讀的，故只能向EEPROM某些單元地址中寫數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

寫MLX90614時(shí)，主機(jī)每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)，開始查詢應(yīng)答信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)如何一次沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào)情況，都要重新開始發(fā)送。

3 對(duì)溫度的計(jì)算方法

3.1 溫度上下限值算法

溫度傳感器中的EEPROM存儲(chǔ)單元，地址為000H～01FH，地址單元通過(guò)SMBus讀取，期中部分地址單元的內(nèi)容，用戶可以改寫。地址000H和001H分別用來(lái)寫入測(cè)量溫度范圍的上下限值，002H為PWM設(shè)定，003H為環(huán)境溫度設(shè)定，01CH-01FH為ID地址。EEPROM中，寫入溫度上下限值的算法相同[1]，則：

（1）

假設(shè)溫度值 ℃，帶入式（1）中，得：

此值即為將要寫入對(duì)應(yīng)地址單元中的數(shù)據(jù)。

3.2 模擬溫度的算法

從SMBus總線上讀取某個(gè)MLX90614的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，換算為十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)的方法為：

（2）

假設(shè)=0x35AC，帶入式（2）中，得：

℃

此值即為測(cè)得的溫度值。

3.3 溫度轉(zhuǎn)換子程序

從MLX90614讀出的數(shù)據(jù)，被轉(zhuǎn)換為溫度并顯示出來(lái)。當(dāng)溫度為正值時(shí)，即當(dāng)值大于27315時(shí)，為正溫度或0；小于27315時(shí)，為負(fù)的溫度值。以顯示正溫度值的函數(shù)為利，在液晶屏上寫數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)應(yīng)各個(gè)顯示位的溫度值顯示方法，部分函數(shù)如下：

4 結(jié)論

該研究具有較好的實(shí)用價(jià)值，不僅在煤礦皮帶運(yùn)煤過(guò)程中監(jiān)控溫度，也可用于其他非接觸測(cè)溫場(chǎng)所，如體溫、食品、化學(xué)藥劑等場(chǎng)合。測(cè)試多個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)合，只需要增加紅外測(cè)溫芯片即可，CPU的數(shù)據(jù)端口無(wú)需另外增加。不足之處，隨著溫度范圍的增加，精確度有所降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭鋒，王巧芝，李英建，等.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全[M].中國(guó)鐵道出版社.

[2] 曾德志.MLX90614系列紅外線測(cè)溫模塊的原理及應(yīng)用[J].電信技術(shù)，2003（4）.

[3] 李紅玲，舒乃秋，曾喜聞.雙口RAM器件IDT7005在標(biāo)準(zhǔn)源中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006（8）.

[4] 韓豐田，高鐘毓，王永梁.ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2000（11）.

[5] 宿元斌.基于SMBus總線的智能溫度傳感器MAX6697[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007（4）.endprint

當(dāng)主機(jī)讀MLX90614時(shí)，先寫控制碼，在讀數(shù)據(jù)，主機(jī)每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)開始查詢應(yīng)答信號(hào)，再收到一個(gè)字節(jié)就給出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)；先向從器件發(fā)送器件地址和寫數(shù)據(jù)命令，沒(méi)有應(yīng)答則再次發(fā)送器件地址，收到后開始發(fā)送要進(jìn)行的操作命令字節(jié)，再次接收應(yīng)答信號(hào)，沒(méi)有收到，全部重發(fā)進(jìn)行前面的兩次操作。接著從器件連續(xù)向主機(jī)發(fā)送要讀取的字和錯(cuò)誤信息碼，單片機(jī)每收到一個(gè)字節(jié)，則發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)給從器件。

2.3.2 總線寫器件格式

由于MLX90614的RAM是只讀的，故只能向EEPROM某些單元地址中寫數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

寫MLX90614時(shí)，主機(jī)每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)，開始查詢應(yīng)答信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)如何一次沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào)情況，都要重新開始發(fā)送。

3 對(duì)溫度的計(jì)算方法

3.1 溫度上下限值算法

溫度傳感器中的EEPROM存儲(chǔ)單元，地址為000H～01FH，地址單元通過(guò)SMBus讀取，期中部分地址單元的內(nèi)容，用戶可以改寫。地址000H和001H分別用來(lái)寫入測(cè)量溫度范圍的上下限值，002H為PWM設(shè)定，003H為環(huán)境溫度設(shè)定，01CH-01FH為ID地址。EEPROM中，寫入溫度上下限值的算法相同[1]，則：

（1）

假設(shè)溫度值 ℃，帶入式（1）中，得：

此值即為將要寫入對(duì)應(yīng)地址單元中的數(shù)據(jù)。

3.2 模擬溫度的算法

從SMBus總線上讀取某個(gè)MLX90614的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，換算為十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)的方法為：

（2）

假設(shè)=0x35AC，帶入式（2）中，得：

℃

此值即為測(cè)得的溫度值。

3.3 溫度轉(zhuǎn)換子程序

從MLX90614讀出的數(shù)據(jù)，被轉(zhuǎn)換為溫度并顯示出來(lái)。當(dāng)溫度為正值時(shí)，即當(dāng)值大于27315時(shí)，為正溫度或0；小于27315時(shí)，為負(fù)的溫度值。以顯示正溫度值的函數(shù)為利，在液晶屏上寫數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)應(yīng)各個(gè)顯示位的溫度值顯示方法，部分函數(shù)如下：

4 結(jié)論

該研究具有較好的實(shí)用價(jià)值，不僅在煤礦皮帶運(yùn)煤過(guò)程中監(jiān)控溫度，也可用于其他非接觸測(cè)溫場(chǎng)所，如體溫、食品、化學(xué)藥劑等場(chǎng)合。測(cè)試多個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)合，只需要增加紅外測(cè)溫芯片即可，CPU的數(shù)據(jù)端口無(wú)需另外增加。不足之處，隨著溫度范圍的增加，精確度有所降低。

參考文獻(xiàn)

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[3] 李紅玲，舒乃秋，曾喜聞.雙口RAM器件IDT7005在標(biāo)準(zhǔn)源中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006（8）.

[4] 韓豐田，高鐘毓，王永梁.ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2000（11）.

[5] 宿元斌.基于SMBus總線的智能溫度傳感器MAX6697[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007（4）.endprint

當(dāng)主機(jī)讀MLX90614時(shí)，先寫控制碼，在讀數(shù)據(jù)，主機(jī)每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)開始查詢應(yīng)答信號(hào)，再收到一個(gè)字節(jié)就給出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)；先向從器件發(fā)送器件地址和寫數(shù)據(jù)命令，沒(méi)有應(yīng)答則再次發(fā)送器件地址，收到后開始發(fā)送要進(jìn)行的操作命令字節(jié)，再次接收應(yīng)答信號(hào)，沒(méi)有收到，全部重發(fā)進(jìn)行前面的兩次操作。接著從器件連續(xù)向主機(jī)發(fā)送要讀取的字和錯(cuò)誤信息碼，單片機(jī)每收到一個(gè)字節(jié)，則發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)給從器件。

2.3.2 總線寫器件格式

由于MLX90614的RAM是只讀的，故只能向EEPROM某些單元地址中寫數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

寫MLX90614時(shí)，主機(jī)每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)，開始查詢應(yīng)答信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)如何一次沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào)情況，都要重新開始發(fā)送。

3 對(duì)溫度的計(jì)算方法

3.1 溫度上下限值算法

溫度傳感器中的EEPROM存儲(chǔ)單元，地址為000H～01FH，地址單元通過(guò)SMBus讀取，期中部分地址單元的內(nèi)容，用戶可以改寫。地址000H和001H分別用來(lái)寫入測(cè)量溫度范圍的上下限值，002H為PWM設(shè)定，003H為環(huán)境溫度設(shè)定，01CH-01FH為ID地址。EEPROM中，寫入溫度上下限值的算法相同[1]，則：

（1）

假設(shè)溫度值 ℃，帶入式（1）中，得：

此值即為將要寫入對(duì)應(yīng)地址單元中的數(shù)據(jù)。

3.2 模擬溫度的算法

從SMBus總線上讀取某個(gè)MLX90614的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，換算為十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)的方法為：

（2）

假設(shè)=0x35AC，帶入式（2）中，得：

℃

此值即為測(cè)得的溫度值。

3.3 溫度轉(zhuǎn)換子程序

從MLX90614讀出的數(shù)據(jù)，被轉(zhuǎn)換為溫度并顯示出來(lái)。當(dāng)溫度為正值時(shí)，即當(dāng)值大于27315時(shí)，為正溫度或0；小于27315時(shí)，為負(fù)的溫度值。以顯示正溫度值的函數(shù)為利，在液晶屏上寫數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)應(yīng)各個(gè)顯示位的溫度值顯示方法，部分函數(shù)如下：

4 結(jié)論

該研究具有較好的實(shí)用價(jià)值，不僅在煤礦皮帶運(yùn)煤過(guò)程中監(jiān)控溫度，也可用于其他非接觸測(cè)溫場(chǎng)所，如體溫、食品、化學(xué)藥劑等場(chǎng)合。測(cè)試多個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)合，只需要增加紅外測(cè)溫芯片即可，CPU的數(shù)據(jù)端口無(wú)需另外增加。不足之處，隨著溫度范圍的增加，精確度有所降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭鋒，王巧芝，李英建，等.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全[M].中國(guó)鐵道出版社.

[2] 曾德志.MLX90614系列紅外線測(cè)溫模塊的原理及應(yīng)用[J].電信技術(shù)，2003（4）.

[3] 李紅玲，舒乃秋，曾喜聞.雙口RAM器件IDT7005在標(biāo)準(zhǔn)源中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006（8）.

[4] 韓豐田，高鐘毓，王永梁.ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2000（11）.

[5] 宿元斌.基于SMBus總線的智能溫度傳感器MAX6697[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007（4）.endprint