孫 瑜，張 悅，陳勁操

(南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094)

基于USB接口的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 瑜，張 悅，陳勁操

(南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094)

針對(duì)現(xiàn)有測(cè)溫系統(tǒng)在測(cè)量范圍及操作性方面的局限性，設(shè)計(jì)了一種溫度采集系統(tǒng)。它的兩個(gè)主要技術(shù)特征為多點(diǎn)測(cè)量并將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口上傳。介紹了基于ARM GPIO口的多點(diǎn)并行測(cè)量方案，給出了有關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了方案的時(shí)間優(yōu)越性。提出了一種解決DS18B20“85”問(wèn)題的新方法。論證研究了USB通信管理機(jī)制，設(shè)計(jì)了邏輯節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)程序。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以有效完成多點(diǎn)溫度測(cè)量和USB通信，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

溫度采集；多點(diǎn)測(cè)控；USB通信

隨著社會(huì)的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫度測(cè)量范圍以及便捷性操作方式提出了要求。根據(jù)多點(diǎn)溫度測(cè)量的工業(yè)要求，開(kāi)發(fā)出一種能夠同時(shí)測(cè)量處理多點(diǎn)溫度并且實(shí)時(shí)性好、精度高且操作方便的溫度采集系統(tǒng)是一個(gè)有意義的課題。

本文在多點(diǎn)測(cè)溫技術(shù)和USB通信技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)溫度采集系統(tǒng)。溫度采集方式為基于ARM GPIO口的多路并行。數(shù)據(jù)通信方式為USB總線通信，通過(guò)微處理器內(nèi)嵌USB的管理機(jī)制完成USB通信設(shè)計(jì)，討論了對(duì)USB邏輯節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)完成數(shù)據(jù)交換的技術(shù)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以同時(shí)完成多路溫度數(shù)據(jù)采集，并且具有測(cè)溫范圍廣、穩(wěn)定性高、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，采用USB接口進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)傳輸可以有效提高系統(tǒng)的操作便捷性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由溫度采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)3部分組成。溫度采集系統(tǒng)控制核心選用LPC2142，可完成對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的讀取和轉(zhuǎn)換并設(shè)置相應(yīng)的溫度上下限報(bào)警值。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過(guò)USB總線將測(cè)溫系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)送入上位機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理、分析和顯示。測(cè)溫系統(tǒng)主要用于多點(diǎn)測(cè)溫，同時(shí)也可以使用單路溫度傳感器進(jìn)行單點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，使用較為靈活。

圖1 測(cè)溫系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 溫度采集系統(tǒng)方案論證

2.1 傳感器的選型

目前在工程領(lǐng)域中使用的溫度傳感器主要有模擬傳感器和數(shù)字傳感器，相比于模擬集成溫度傳感器，數(shù)字溫度傳感器具有外接處理電路少、測(cè)量精度高、系統(tǒng)誤差率低及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。在多種數(shù)字溫度傳感器中，由于DS18B20具有獨(dú)特的單總線接口方式，通信協(xié)議較為簡(jiǎn)單[1]，在多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，與其他智能溫度傳感器相比更適合本系統(tǒng)，所以選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度測(cè)量的傳感器。

2.2 多路并行采集方案論證

DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能且具有寬電源電壓范圍，因此可以在單總線上掛接多路傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量?，F(xiàn)有基于DS18B20的多路溫度采集系統(tǒng)多選用此種方式。但是在這種方式下，傳感器的溫度轉(zhuǎn)換是逐路完成的，當(dāng)傳感器數(shù)量較多時(shí)轉(zhuǎn)換需要占用較多時(shí)間，而且當(dāng)單總線掛接傳感器數(shù)量超過(guò)8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器總線驅(qū)動(dòng)不足的問(wèn)題[2]，因此這種方式不適用于溫度測(cè)量點(diǎn)較多、測(cè)量時(shí)間要求高的場(chǎng)合。在這種情況下提出一種基于ARM GPIO的多路傳感器并行采集方案，控制核心選用LPC2142，DS18B20配置寄存器設(shè)置12位的溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)，如圖2所示。

圖2 多路傳感器并行采集結(jié)構(gòu)圖

在設(shè)計(jì)中，每一路傳感器對(duì)應(yīng)LPC2142的一個(gè)GPIO口，當(dāng)微處理器發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令時(shí)，多路溫度傳感器同時(shí)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間和單路傳感器溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間相同。若采用單總線掛接多路傳感器的方式，對(duì)于14路傳感器，采用單總線傳輸。由此可以看出，多路并行溫度采集的方案具有轉(zhuǎn)換時(shí)間上的顯著優(yōu)勢(shì)。

開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)傳感器的初始化設(shè)計(jì)為逐路初始化的方式。溫度采集系統(tǒng)逐路初始化的方式可以有效避免大電流，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種設(shè)計(jì)在開(kāi)機(jī)時(shí)刻有一些時(shí)間損失，進(jìn)入采集循環(huán)后就沒(méi)有影響了。

3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)方案論證

3.1 USB接口電路的設(shè)計(jì)

USB接口是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心之一，本次設(shè)計(jì)選擇內(nèi)置USB控制器的ARM系列LPC2142構(gòu)造接口電路，LPC2142提供2 kB的端點(diǎn)RAM供USB2.0全速設(shè)備控制器訪問(wèn)，USB接口電路如圖3所示。

圖3 USB接口電路

USB接口電路設(shè)計(jì)為從機(jī)工作方式：①當(dāng)USB總線未連接時(shí)，LPC2142通過(guò)置P0.31引腳為高電平，使3.3 V電壓直接加至USB的信號(hào)輸入端，從而提高USB接口信號(hào)線的抗干擾能力；②接入指示：LPC2142的P0.23接至USB +5 V端，當(dāng)USB總線通過(guò)接口電路與PC機(jī)連接時(shí)，P0.23為高電平，通知LPC2142“USB總線接通”；③單片機(jī)處理USB中斷并置P0.31引腳為低電平，點(diǎn)亮LED指示燈，表示USB已接入，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.2 USB通信模型

USB通信系統(tǒng)包括“USB主機(jī)”、“USB從機(jī)”以及“USB互連”三個(gè)部分。USB接口電路設(shè)計(jì)為從機(jī)工作模式，LPC2142的MCU為USB主機(jī)，通信過(guò)程架構(gòu)在USB主機(jī)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和USB端點(diǎn)之上[3]。LPC2142USB支持32個(gè)物理端點(diǎn)(16個(gè)邏輯端點(diǎn))，端點(diǎn)的類型及方向是固定的，一個(gè)邏輯端點(diǎn)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)物理端點(diǎn)，部分端點(diǎn)配置見(jiàn)表1。

溫度采集系統(tǒng)需要配置兩個(gè)不同的邏輯端點(diǎn)，一個(gè)用于接收并判斷USB主機(jī)發(fā)送指令，另一個(gè)用于存儲(chǔ)并發(fā)送USB從機(jī)的溫度數(shù)據(jù)。考慮到同步端點(diǎn)類型對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)的及時(shí)性較高，選擇邏輯3端點(diǎn)作為USB從機(jī)對(duì)主機(jī)的響應(yīng)端點(diǎn)，同時(shí)，由于邏輯2端點(diǎn)具有雙緩沖，可以在USB主機(jī)IN令牌到達(dá)之前存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，且其數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度支持表示14路溫度信息。本次設(shè)計(jì)選用邏輯2端點(diǎn)作為USB從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的端點(diǎn)。

表1 LPC2142USB端點(diǎn)配置

在ADS1.2環(huán)境下，USB從機(jī)可以通過(guò)固件程序操作端點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，通信模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)通信模型

圖4中，當(dāng)USB主機(jī)從USB從機(jī)接收溫度數(shù)據(jù)時(shí)，必須完成以下過(guò)程：①USB主機(jī)向USB從機(jī)發(fā)送IN令牌；②USB設(shè)備控制器將IN緩沖區(qū)中的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到USB主機(jī)；③主機(jī)收到IN緩沖區(qū)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，發(fā)送ACK令牌作為應(yīng)答；④USB設(shè)備控制器收到ACK令牌，向MCU發(fā)送中斷請(qǐng)求，置相應(yīng)軟件標(biāo)志位為1，告知MCU溫度數(shù)據(jù)發(fā)送成功。在USB主機(jī)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序后，即可通過(guò)軟件操作完成USB主從機(jī)的數(shù)據(jù)通信[4]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 溫度采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)以LPC2142為核心的溫度采集系統(tǒng)置于多點(diǎn)測(cè)溫環(huán)境下時(shí)，控制器嚴(yán)格按照DS18B20的溫度采集時(shí)序控制多路傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

DS18B20在上電時(shí)會(huì)產(chǎn)生85℃的溫度讀數(shù)，即通常所說(shuō)的“85”現(xiàn)象?，F(xiàn)象產(chǎn)生最根本的原因是時(shí)序的不匹配，一種是DS18B20與USB傳輸時(shí)序不匹配，另一種是DS18B20與單片機(jī)時(shí)序不匹配。本次軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)空讀一遍傳感器數(shù)據(jù)忽略85℃的讀數(shù)，再次讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)時(shí)即為正常溫度。這種方式可以用最少的軟硬件資源解決“85”問(wèn)題，具有極強(qiáng)的實(shí)用性。

圖5 溫度采集系統(tǒng)軟件流程圖

4.2 通信軟件設(shè)計(jì)

溫度采集系統(tǒng)USB主從機(jī)間的通信設(shè)計(jì)為如下兩個(gè)步驟：(1)USB主機(jī)發(fā)送指令1，USB從機(jī)判斷是否為指令“F0F0”，如果是，應(yīng)答“e0”,表示通信過(guò)程建立；(2)USB主機(jī)發(fā)送指令2，USB從機(jī)判斷是否為指令“F1F1”，如果是，應(yīng)答“e1”，并通過(guò)調(diào)用LPC2142動(dòng)態(tài)庫(kù)中的API函數(shù)訪問(wèn)相應(yīng)端點(diǎn)，將14路溫度數(shù)據(jù)送入U(xiǎn)SB主機(jī)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 通信軟件流程圖

5 試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試與分析

試驗(yàn)時(shí)，僅在14路傳感器接口中單數(shù)位置接入溫度傳感器，通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)測(cè)試軟件，運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。為保證溫度測(cè)量精度，數(shù)組中溫度存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為實(shí)際溫度值的10倍，存儲(chǔ)順序?yàn)橄鹊妥止?jié)后高字節(jié)，對(duì)于無(wú)溫度傳感器接入的端口設(shè)計(jì)為-990℃的溫度輸入。從圖7中可以看出，測(cè)試系統(tǒng)可以有效完成指令判別和溫度數(shù)據(jù)測(cè)量發(fā)送功能。

圖7 溫度測(cè)量結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)綜合利用多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)和USB通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫度的采集、處理和通信功能，可用于-55～+125℃環(huán)境下多路溫度測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，具有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，并且操作簡(jiǎn)便，克服了已有溫度測(cè)試儀器的不足，故具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]張軍.智能溫度傳感器DS18B20及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù),2010(4):68-70.

ZHANG Jun. Smart temperature sensor ds18b20 and its application[J]. Instrumentation Technology, 2010(4): 68-70.

[2]楊久河.基于DS18B20的多點(diǎn)式無(wú)線溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué),2010.

[3]王榮.基于USB接口的溫度采集系統(tǒng)研究[D].西安：中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué),2007.

[4]劉宇.基于USB通信協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2013.

(本文編輯：楊林青)

Design of Multi-Channel Temperature Acquisition System Based on USB Interface

SUN Yu，ZHANG Yue，CHEN Jin-cao

(School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

This paper proposes a temperature acquisition system in order to solve the limitations of measuring range and operation. Two main technical features are multi-point measurement and uploading temperature data by the USB interface. This paper introduces the scheme of multi-point temperature parallel measurement based on ARM GPIO. Moreover, it designs the related softwares and hardwares, and verifies the superiority in time of parallel acquisition program. Moreover, it proposes a new solution to "85′′ phenomenon of DS18B20, discusses the mechanism of USB communication management, and designs the logical nodes access program. The designed system can effectively complete the multi-point temperature measurement and USB communication, valuable in popularization and application.

temperature acquisition; parallel measurement; USB communication

10.11973/dlyny201701012

孫 瑜(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、嵌入式方面的開(kāi)發(fā)。

TP212.9

A

2095-1256(2017)01-0050-04

2016-11-23