陳起傳，余小平，龍小翠

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610059)

CHEN Qichuan，YUXiaoping*，LONGXiaocui

(Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

在20 m長的單總線上，多點(diǎn)實(shí)時測溫系統(tǒng)接入10組DS18B20器件對樣品進(jìn)行溫度測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)主機(jī)漏讀了總線上離主機(jī)最遠(yuǎn)的溫度器件的片序列號，而其余9組都能被獲取，并且能正確的讀回測量溫度值。器件漏讀的現(xiàn)象可能是總線分布電容和電阻引起的信號衰減所致;也可能是總線的傳輸時延，使器件信息傳輸主機(jī)時，主機(jī)漏讀溫度器件信息引起;還可能是單總線傳輸線路過長、器件過多，使得總線驅(qū)動不足引起信息錯誤所導(dǎo)致［1］。然而提高I/O驅(qū)動之后，發(fā)現(xiàn)器件遺漏仍然存在，說明提高I/O驅(qū)動能力并沒有解決器件遺漏的問題［2］。為了解決測溫器件的遺漏問題，本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)說明傳輸延時和分布電容、電阻對單總線器件遺漏的影響。

1 系統(tǒng)方案介紹

單總線多點(diǎn)實(shí)時溫度測量系統(tǒng)采用C8051F340為主控制器，通過循環(huán)掃描讀取器件測量溫度值，進(jìn)而使用UART通信接口將采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝后上傳上位機(jī)。上位機(jī)對接收到的溫度信息進(jìn)行誤差處理后在上位機(jī)顯示并記錄，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量的實(shí)時監(jiān)控［3－4］。單總線多點(diǎn)實(shí)時溫度測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)框圖

2 單總線溫度器件遺漏原因分析

2．1 單總線時序分析

從圖2可得主機(jī)從總線上獲取溫度器件信息時，所有溫度器件向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)在15μs內(nèi)完成，15μs時間片之后總線上的器件會釋放總線。當(dāng)主機(jī)拉低總線后，寫命令在總線上的傳輸延時導(dǎo)致總線上任意兩個溫度器件不能同時刻響應(yīng)主機(jī)。如果兩個相鄰溫度器件的相距太遠(yuǎn)，它們的數(shù)據(jù)不能同時傳輸?shù)街鳈C(jī)，就會發(fā)生漏讀的現(xiàn)象。

圖2 主機(jī)讀取總線時間片

假設(shè)總線上相鄰兩個溫度器件到主機(jī)的距離分別為0和S。主機(jī)在拉低總線15μs內(nèi)讀總線，如果溫度器件數(shù)據(jù)都能被主機(jī)讀取到，那么距離為S的溫度器件數(shù)據(jù)傳到主機(jī)的時間t應(yīng)滿足下式:

假設(shè)響應(yīng)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，主機(jī)采樣時間分別為:

μs。信號在導(dǎo)線上的傳輸速率為v=I/nqs，那么可得不漏讀數(shù)據(jù)時兩個溫度器件間的最大距離為:

導(dǎo)體中電流的傳輸速率v接近光速，所以理論上任意兩個相鄰溫度器件的最大相距為Smax=3．0×108×6×10－6=1．8 km。要使主機(jī)不遺漏的獲取溫度器件，必須滿足任意兩個溫度器件間的距離滿足S＜Smax。此系統(tǒng)中單總線的長度遠(yuǎn)小于Smax，所以只要主機(jī)讀總線的時間接近15μs，就不會發(fā)生器件漏讀［5］。

2．2 單總線信號衰減分析

主機(jī)3．3 V高電平信號在總線上傳輸時，因衰減和干擾很可能下降到溫度器件的判決門限電平以下，導(dǎo)致溫度器件收到主機(jī)所發(fā)的高電平被判為低電平，使單總線上離主機(jī)較遠(yuǎn)的器件錯誤響應(yīng)主機(jī)的指令，從而發(fā)生器件遺漏。信號衰減與導(dǎo)線電阻和分布電容有關(guān)系。單總線導(dǎo)線電阻R如下:

由式(3)可得:導(dǎo)線長度L越長，電阻R越大，電壓在總線上傳輸時總線的分壓就越大，對于溫度器件而言，信號的衰減也越大。

總線采用信號線與地線平行的連接方式的等效分布電容，如圖3所示。

圖3 單總線分布電容模型

圖中C1…Cn為單總線上n個器件對應(yīng)的分布電容，器件分布電容一般為固定數(shù)值。C為導(dǎo)線對地的分布電容，由式(4)可得:

其中D為信號線到地線的距離，d為傳輸數(shù)據(jù)線的直徑，L為傳輸數(shù)據(jù)線的長度，ε0為真空介電常數(shù)。可以看出采用同種導(dǎo)線時，總線長度L越長C越大，接入器件數(shù)量n越大，分布電容C1∥…∥Cn的值越大。所以單總線上接入的器件越多，總線長度越長，總線的分布電容就越大。因而，到達(dá)主機(jī)距離最遠(yuǎn)的溫度器件對地的交流阻抗越小，器件的交流分壓就越小，因此到達(dá)溫度器件時信號衰減就越大［6］。

由于單總線的長度越長導(dǎo)線的電阻和分布電容越大，信號在傳輸線上的衰減就越快，導(dǎo)致高電平數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷^遠(yuǎn)的溫度器件時，信號衰減到溫度器件判決門限電平以下，致使其接收到的主機(jī)指令發(fā)生錯誤，導(dǎo)致較遠(yuǎn)溫度器件無法響應(yīng)主機(jī)，發(fā)生遺漏現(xiàn)象［7］。

3 單總線器件遺漏解決方法

為解決器件遺漏的問題，需要采取措施使主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔囟绕骷r，不至于衰減到溫度器件判決門限以下。下面提出兩個解決辦法:一個是改變單總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);另一個是提高總線高電平的電壓幅值。

3．1 改變總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求所有的器件接在一條導(dǎo)線上，增加器件數(shù)量時，需要增加總線的長度。這不僅會使離主機(jī)較遠(yuǎn)的器件收到的主機(jī)信號嚴(yán)重衰減，而且不利于多點(diǎn)分散式溫度測量布線的實(shí)現(xiàn)。改變總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅可以減小總線長度增加帶來的總線電阻分壓，還能夠在一定程度上提高溫度測量的靈活性。

如圖4(a)所示，星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由多條總線型支路組成，所以星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總的導(dǎo)線電阻相當(dāng)于單總線型n條通路并聯(lián)，即R=R1∥…∥Rn。因此星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在很大程度上減小了導(dǎo)線電阻引起的信號衰減問題，從而減緩總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的器件遺漏現(xiàn)象。同時，星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對實(shí)現(xiàn)四周分散型的多點(diǎn)溫度測量也很方便，且每條導(dǎo)線都可以達(dá)到總線型時的長度和接入從機(jī)的數(shù)量;環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，是將主機(jī)和溫度器件連在一個環(huán)形上，把總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的首尾相連。與總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎啾瓤偩€的長度不變，但是最遠(yuǎn)的器件的總線長度減小了一半，因而總線上的導(dǎo)線電阻變成R/2，所以信號衰減得到一定程度的改善，能接入更多的器件。同時環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也易于實(shí)現(xiàn)分布于四周的多點(diǎn)溫度測量硬件布線。

圖4 星型和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

但是改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只能一定程度上減小總線的傳輸電阻，并不能解決因器件數(shù)量的增多引起總線分布電容增加而導(dǎo)致的信號衰減問題。所以提出將3．3 V電平轉(zhuǎn)化為5 V接到總線上增加信號衰減的冗余度的解決方法。

3．2 單總線電平轉(zhuǎn)化電路

為了使單總線上的信號從主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)時，信號衰減后不低于從機(jī)的判決門限，根據(jù)主機(jī)I/O設(shè)計一個合適的雙向電平轉(zhuǎn)換電路將主機(jī)的3．3 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V后再接到單總線上，將總線上5 V信號轉(zhuǎn)換成3．3 V后再傳送給主機(jī)。這樣總線信號衰減的冗余度增加，總線長度加長、器件增多時，高電平信號不會很快衰減到判決門限以下。雙向電平轉(zhuǎn)換電路由如圖5(a)所示，5 V電平經(jīng)過一個遲滯比較器，再經(jīng)過一個與非門輸出3．3 V;而3．3 V通過一個與非門之后再經(jīng)過一個三態(tài)緩沖器輸出5 V電平。雙向電平轉(zhuǎn)換電路本質(zhì)是依靠與非門的OC門輸出實(shí)現(xiàn)的，同時為保障電平轉(zhuǎn)換前后的一致性，在高電平變?yōu)榈碗娖蕉嗽黾恿朔情T電路，在低電平變?yōu)楦唠娖蕉艘苍黾恿朔情T［8］。雙向電平轉(zhuǎn)換電路工作頻率在1 M時的雙向信號輸出波形如圖5(b)所示。

圖5 雙向電平轉(zhuǎn)化電路設(shè)計

3．3 單總線遺漏改善結(jié)果

實(shí)驗(yàn)可得總線上接入10個溫度器件時，交流信號電平衰減和器件到主機(jī)的距離關(guān)系如圖6所示。

圖6 總線接入10個器件高電平衰減情況

從圖6中實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果可以看出，總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上接入10個器件時，總線長度增加到20 m時，高電平已經(jīng)下降到3 V以下;而環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線增加到20 m時，電平還未衰減到3 V。所以，將系統(tǒng)總線首尾相接后，主機(jī)可以獲得所有從機(jī)器件的序列號和溫度信息。但是總線的長度變得更長后，改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已經(jīng)不能夠解決信號衰減的問題。而從測試結(jié)果可知，在總線上接入10個器件時，總線長度增加到50 m后，5 V電平未衰減到3 V以下，所以在單總線的主機(jī)和溫度器件之間增加雙向的電平轉(zhuǎn)換電路，可以在保證溫度器件不被遺漏的情況下，很大程度上提高總線長度和接入器件數(shù)量。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)以C8051F340為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)對多點(diǎn)溫度實(shí)時測量。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于I/O口信號在單總線上的衰減，致使距離主機(jī)較遠(yuǎn)的溫度器件收到的高電平信號低于DS18B20的判決門限，從而導(dǎo)致主機(jī)指令無法正確的傳輸?shù)綔囟绕骷?，產(chǎn)生器件遺漏的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改變單總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以減小導(dǎo)線電阻，可以在一定程度上解決遺漏問題，且能提高單總線多點(diǎn)測溫布線靈活性和實(shí)用性。而總線加長、器件增多時，改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于減小信號衰減已不明顯，在主機(jī)和總線器件之間增加雙向電平轉(zhuǎn)換電路，可以在溫度器件不被遺漏，且不改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，將10個從機(jī)器件的傳輸距離增加到至少50 m。系統(tǒng)研究已經(jīng)解決生物冷點(diǎn)溫度測試實(shí)驗(yàn)中多點(diǎn)溫度采集的問題，同時也可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚、倉庫溫度管理等系統(tǒng)之中解決多點(diǎn)長線的溫度采集問題。

［1］ 高占鳳，劉玉紅，杜彥良．基于單總線技術(shù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)［J］．電子器件，2006，29(4):1135 －1338．

［2］ 艾紅．多點(diǎn)測溫與長線傳輸在分布式測溫系統(tǒng)中的研究［J］．自動化儀表，2011，32(2):65 －68．

［3］ 王福泉，萬頻．DS18B20在空調(diào)檢測系統(tǒng)溫度采集模塊中的應(yīng)用［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(8):46 －48．

［4］ 陳良光，李雄杰．大規(guī)模多點(diǎn)測溫中縮短巡檢周期的一種DS18B20訪問協(xié)議［J］．傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19(5):1581－1584．

［5］ 鄧世建，胡媛媛．基于DS18B20的MOA溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］．電子器件，2011，34(2):206－209．

［6］ 丁凱，陳曉光．電纜分布電容對航天器低頻交流信號傳輸?shù)挠绊懛治觯跩］．航天器環(huán)境程，2012(10):554－556．

［7］ 沈莉麗，陳鐘榮．基于CPLD和DS18B20的多路溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］．電子器件，2008，31(4):1252－1255．

［8］ 孫爍．一種寬電壓差電平轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計［J］．微機(jī)處理，2013，4(2):94 －96．