基于ARM7和數(shù)字溫度傳感器的多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)通過(guò)鍵盤設(shè)置，利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)不同環(huán)境、不同要求下的個(gè)點(diǎn)或多點(diǎn)的溫度，然后LPC2114讀取溫度值,通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，在上位機(jī)的顯示界面上顯示，以提示相關(guān)人員對(duì)所檢測(cè)的環(huán)境作出相應(yīng)措施。

本系統(tǒng)分為ARM處理器模塊、LCD顯示鍵盤設(shè)置模塊、n個(gè)DS18B20組成的測(cè)溫模塊、USB 通行模塊組成。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

1.1 LPC2114處理器模塊

ARM處理器包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Intel的Xscale、StrongARM等幾個(gè)系列^[1]。總共有30家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、SONY、PHILIPS和國(guó)家半導(dǎo)體這樣的大公司^[2]。

本系統(tǒng)選用Philips公司的ARM7TDMI-S核ARM微處理器LPC2114。這款處理器由較小的64引腳了LQFP封裝，極低的功耗和極小的體積。它具有16KB靜態(tài)RAM、128KB片內(nèi)Flash、4路10位ADC、多個(gè)內(nèi)部中斷、2個(gè)32位定時(shí)器、6路輸出的PWM單元等片上資源，所以特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)等。本設(shè)計(jì)選用它，能夠滿足小型化、低功耗、低成本的要求。

1.2 溫度檢測(cè)模塊

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、高低溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器^[3]。與其它溫度傳感器相比，它具有以下特性：

（1）具有3引腳TO－92小體積封裝形式；

（2）溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；

（3）其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；

（4） 多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

1.3 鍵盤設(shè)置模塊

DS18B20 具有一個(gè)配置寄存器，為了滿足測(cè)溫的靈活性以及出于**性的考慮，需要在不同的場(chǎng)合根據(jù)不同的需要對(duì)這幾個(gè)寄存器進(jìn)行配置。R1、R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1R0=“00”，9位精度，*大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，*大轉(zhuǎn)換時(shí)間為187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，*大轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ms；R1R0=“11”，12位精度，*大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms；未編程時(shí)默認(rèn)為12位精度?？梢愿鶕?jù)不同的情況的要求通過(guò)鍵盤操作來(lái)改變精度的位數(shù)，以求得在準(zhǔn)確度和轉(zhuǎn)換速度之間的一個(gè)折中點(diǎn)。

DS18B20還具有兩個(gè)8位的高低溫報(bào)警寄存器TH和TL。通過(guò)設(shè)置報(bào)警的臨界值確定被測(cè)對(duì)象是否在要求的溫度范圍內(nèi)，如果超出了警戒溫度則及時(shí)提醒操作者進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳌?span lang="EN-US">

以上所有這些配置都可以通過(guò)8位鍵盤來(lái)操作，包括兩位數(shù)的精度設(shè)置、3位數(shù)高低溫警戒溫度值得設(shè)定和報(bào)警標(biāo)志的開關(guān)。鍵值功能表見表1。

表1  8位鍵值功能表

因?yàn)閷?duì)顯示界面要求不高，可用128×64點(diǎn)陣的中文液晶顯示器來(lái)提供，包括當(dāng)前精度設(shè)置、警戒溫度上下限值以及國(guó)警戒溫度的開關(guān)。如果是單點(diǎn)溫度采集，則顯示該點(diǎn)的通道號(hào)以及該通道的當(dāng)前溫度值。軟件部分還通過(guò)液晶顯示器向用戶提供界面友好的中文向?qū)?lái)引導(dǎo)用戶一步步進(jìn)行正確的操作^[4]。

1.4 USB通信模塊

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)面：先移植嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng) C/OS-Ⅱ，然后就是采集溫度參數(shù)設(shè)置、DS18B20操作，*后就是LPC2114與上位機(jī)通信接口USB的驅(qū)動(dòng)及上位機(jī)中多路溫度顯示界面。

2.1 移植 C/OS-Ⅱ內(nèi)核

C/OS-Ⅱ是一個(gè)完整的，可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核^[6]。 C/OS-Ⅱ是用ANSI的C語(yǔ)言編寫的，包含一個(gè)小部分匯編語(yǔ)言代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器是用。目前，它已經(jīng)在幾十種從8位到64位的微處理器上實(shí)現(xiàn)了成功的移植。

    由于設(shè)計(jì) C/OS-Ⅱ時(shí)就考慮到了在不同處理器上移植，因而移植 C/OS-Ⅱ?qū)嶋H上需要修改的代碼量很小。由于篇幅的限制， C/OS-Ⅱ在LPC2114上的移植方法和過(guò)程，見參考文獻(xiàn)[2]。

2.2 DS18B20測(cè)溫軟件設(shè)計(jì)

每一個(gè)DS18B20在其ROM中都存在有其**的48位序列號(hào)，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中。主機(jī)在進(jìn)入操作程序前必須用讀ROM（33H）命令將該DS18B20的序列號(hào)讀出。

當(dāng)主機(jī)需要對(duì)眾多在線DS18B20的某一個(gè)進(jìn)行操作時(shí)，首先要發(fā)出匹配ROM（55H）。接著主機(jī)提供64位序列（包括該DS18B20的48位序列號(hào)），之后的操作就是針對(duì)該DS18B20的。

在DS18B20組成的多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)中，主機(jī)在發(fā)出跳ROM命令之后，再發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉(zhuǎn)換啟動(dòng)碼44H，就可以實(shí)現(xiàn)所有DS18B20的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過(guò)1s后就可以用很少的時(shí)間去逐一讀回每個(gè)DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。。這種方式使其時(shí)間值往往小于傳統(tǒng)方式。

由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)

格的保證讀寫的時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。因此，對(duì)DS18B20 操作部分采用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。初始化流程見圖3。

本系統(tǒng)可經(jīng)過(guò)設(shè)置模塊來(lái)設(shè)置不同要求的測(cè)溫方式，根據(jù)前面定義的鍵盤設(shè)置模塊可知，可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)溫和多點(diǎn)測(cè)溫。兩種方式**不同就是ARM向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令和讀取溫度寄存器之前，單點(diǎn)溫度檢測(cè)要首先發(fā)送匹配命令55H，然后是選定通道DS18B20的ROM號(hào)；而多點(diǎn)測(cè)溫只要發(fā)送略過(guò)ROM命令CCH即可。對(duì)第n通道進(jìn)行溫度檢測(cè)，讀取并存儲(chǔ)溫度值。多點(diǎn)溫度讀取轉(zhuǎn)換流程見圖4。

2.3 USB驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

    當(dāng)溫度采集后，要通過(guò)USB接口傳到上位機(jī)，其中CH375與微處理器的接口通過(guò)固化在Flash中的固件程序（Firmare）來(lái)完成的。Firmare是USB和用戶代碼之間的接口。本次USB接口芯片的固件設(shè)計(jì)成完全的中斷驅(qū)動(dòng)，以保持響應(yīng)得實(shí)時(shí)性。

上位機(jī)應(yīng)用層發(fā)送主動(dòng)請(qǐng)求給LPC2114，被動(dòng)應(yīng)答是指在LPC2114收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，上傳給上位機(jī)應(yīng)用層的應(yīng)答數(shù)據(jù)。所有的通訊都由上位機(jī)應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到LPC2114的應(yīng)答結(jié)束，完整的過(guò)程包括：① 上位機(jī)將數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送給CH375 芯片；② CH375 芯片以中斷方式通知LPC2114；③ LPC2114進(jìn)入中斷服務(wù)程序，獲取CH375 的中斷狀態(tài)并分析；④ 如果是上傳，則釋放當(dāng)前USB 緩沖區(qū)，然后退出中斷程序；⑤ 如果是下傳，則從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)塊；⑥ 分析接收到的數(shù)據(jù)塊，準(zhǔn)備應(yīng)答數(shù)據(jù)，也可以先退出中斷程序再處理；⑦ LPC2114將應(yīng)答數(shù)據(jù)寫入批量端點(diǎn)的上傳緩沖區(qū)中，然后退出中斷程序；⑧ CH375 芯片將應(yīng)答數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)；⑨ 上位機(jī)接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)。

雖然Windows2000提供有多種通用的USB驅(qū)動(dòng)程序，但并不滿足本嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，因此本系統(tǒng)采用Windows DDK(Device Driver Kit)開發(fā)工具，開發(fā)了基于WDM模型的USB設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序^[8]。

　　運(yùn)行在核心態(tài)的USB驅(qū)動(dòng)程序是基于WIN32驅(qū)動(dòng)程序模型WDM(Windows Driver Model）的，它采用分層驅(qū)動(dòng)程序模型，由USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB功能驅(qū)動(dòng)程序兩部分組成，總線驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)提供，只需編寫相應(yīng)的功能驅(qū)動(dòng)程序即可。

本功能驅(qū)動(dòng)程序主要由四個(gè)模塊組成：初始化模塊、I/O模塊、即插即用管理模塊和電源管理模塊。另外，還有一個(gè).INF文件用于驅(qū)動(dòng)程序的安裝, INF文件含有安裝一個(gè)WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要的所有必要的信息，包括要復(fù)制的文件列表、要?jiǎng)?chuàng)建的注冊(cè)表項(xiàng)、設(shè)備的ID和兼容ID等。USB驅(qū)動(dòng)程序的分層結(jié)構(gòu)見圖5。

3 結(jié)束語(yǔ)

    將n個(gè)DS18S20構(gòu)建成一個(gè)多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)溫度測(cè)量，其轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，使用時(shí)無(wú)需標(biāo)定和測(cè)試；與LPC2114的接口簡(jiǎn)單，可方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)溫，給硬件設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了極大的方便。另外采用DS18S20能有效地降低成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，占用系統(tǒng)I/O資源少、擴(kuò)展方便，在多點(diǎn)溫度檢測(cè)中有比較好的應(yīng)用前景。