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如何用单总线技术设计一个环境状态监控系统?

2019年11月02日 文章来源:网络整理 热度:127℃ 作者:刘英

环境状态监控系统通常用于程控机房、精密仪器室、图书馆、库房、无人值守站、变电站等场所,实时监测现场环境中的温度、湿度、烟雾、浸水及非法侵入等情况,根据设定值自动报警并驱动相关执行器。这是计算机在测控领域的典型应用的实例。通常的设计方案是选用一块性能符合要求的多路数据采集(A/D)卡,与PC机或单片机的并行口相联,然后把各种传感器送来的模拟信号经多路转换开关加到A/D上,转换成数字信号后交计算机进行处理。但是这样设计至少存在两大缺点:其一,要拉一大把线路才能把现场传感器的信号送到采集卡上,布线施工麻烦、成本高;其二,线路上传送的是模拟信号,易受干扰、易被损耗。因此,这种方案的性能价格比较低。本文介绍一种近年才推出的单总线技术,能有效地克服上述缺点。

1 单总线技术简介

单总线技术是美国达拉斯半导体公司近年推出的新技术。它将地址线、数据线、控制线合为一根信号线,允许在这根信号线上挂上数百个测控对象,这些测控对象所用器件芯片是由该公司提供的。每个芯片均有一个64位的ROM,厂家对每一个芯片用激光烧写编码,其中存有16位十进制编码的序列号,也称之为身份证号,确保挂在单总线上后,可以被唯一地区分识别出来。这是定位和寻址器件实现单总线测控功能的前提条件。ROM中含有CRC检验码,能确保数据交换可靠。芯片内还含有收、发控制和电源存储电路,其示意图如图1所示。这些芯片的耗电量都很小,从总线上“偷”一点电(空闲时几微瓦,工作时几毫瓦)存在大电容中就可正常工作了,故一般不用另附电源。更为可贵的是这些芯片在检测点就把模拟信号数字化了,这样在单总线上传送的是数字信号,使系统的抗干扰性能好、可靠性高。

如何用单总线技术设计一个环境状态监控系统?

应当指出,单总线技术是建立在码分多址、串行分时数据交换的基础上的,因此只能用于对速度要求不高的场合,一般用于100kbps以下速率的测控系统中。

2 系统的组建

采用单总线技术设计环境状态监控系统,只要将一条双绞线(一根为信号线,一根为地线)从计算机拉向监控现场,然后将各种监控对象挂在其上就可以了,其示意图如图2所示。图中是以PC机串行口作输出的,因此需要串接一个由RS232到单总线的适配器。实际上,单总线技术也允许从PC机或单片机并行口的某一位输出。图中只画出了一个监控现场的配置,其布线接头与电话线路通常用的一样,插入和拔出都很方便。

如何用单总线技术设计一个环境状态监控系统?

该技术作用距离通常为300米,经扩展可达2000米。可以组建成一个由PC机驱动的微型局域网,该网干线长度可达200米,可挂20路支线;支线长度可达50米,可挂30个器件,能满足一般监控系统的要求。

3 c配置

单总线专用芯片的种类和型号很多,可以参阅达拉斯公司的数据手册和光盘(Data Book and CD ROM)根据需要选用,也可从互联网上访问。这里简单介绍图2中用到的一些器件芯片。

3.1 串口RS232到单总线适配器

当采用PC机进行低速测控时,用串行口RS232连接是很方便的,但它不能同时挂上许多测控对象。为此要采用RS232到单总线的适配器,实现与PC机方便的连接。达拉斯公司提供DS9097等型号的适配器,它可完成多线对一线的转换及电平的变换。

3.2 数字温度计

达拉斯公司提供了多种数字温度计,适合单总线应用的典型产品是DS1820,其主要特性为:

·测量温度:-55°C~+125°C

·分辨率:0.5°C

·温度值输出:9位数字量

·转换速度: 200ms/次

·上下限温度设置为用户定义式

·不需外围电路,电源可由单总线提供

·两种封装形式:3端PR-35塑封或16脚SSOP封装

该温度计是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系、通过对振荡周期的计数来实现温度测量的。为了扩大测温范围和提高分辨率,使用了一个低温系数振荡器和一个高温系数振荡器分别进行计数,并采用了非线性累加器等电路来改善线性,故此DS1820具有上述良好的特性,而且售价仅为通常模拟温度变送器的十分之一左右。

3.3 A/D转换器

在单总线上直接挂上A/D转换器,会使系统的检测功能大大增强。各种物理量只要通过传感器变为电压量,就可由A/D采集后经单总线送到计算机进行处理。达拉斯公司最近推出的DS2450就是这样的A/D转换器,其主要特性为:

·4路模拟输入通道,两种模拟输入量程:

0~2.56V和0~5.12V

·一个数据输出口,以16.3kbps的速率通信,超速模式可达142kbps

·逐次逼近的变换原理,2~16位转换精度(可选择)

·采用单总线协议

·响应模拟电压超门限报警设置

·不用另接电源和外围电路

·8脚SOIC 封装

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