DS2438及其在單總線微網(wǎng)中的應(yīng)用
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摘要：介紹內(nèi)部集成多種功能部件的單總線器件DS2438，利用該器件內(nèi)部豐富的硬件資源，可構(gòu)成具有環(huán)境溫度及單總線供電電壓補(bǔ)償功能的單總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；介紹器件性能特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，并給出該器件在單總線微網(wǎng)中的具體應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞：單總線微網(wǎng) 測(cè)控系統(tǒng) 單片機(jī) 傳感器
1 概述
在數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)中，由于單總線微網(wǎng)僅使用1根導(dǎo)線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳送，并同時(shí)為遠(yuǎn)端器件提供電源，既降低了測(cè)控系統(tǒng)的硬件成本，又提高了系統(tǒng)的可靠性，因而是有著廣泛應(yīng)用前景的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。但是，由于單總線微網(wǎng)一方面要傳送數(shù)據(jù)，另一方面還要向單總線器件提供電源，這必然造成單總線上供電電源電壓的波動(dòng)；而測(cè)控系統(tǒng)中所使用的傳感器元件，其輸出值不僅正比于被測(cè)量，而且往往還與供電電源的電壓值有關(guān)，因此，為了保證傳證傳感器的測(cè)量精度，就必須進(jìn)行相應(yīng)的電壓校正。另外，傳感器的輸出值往往還受環(huán)境溫度的影響，也必須進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。
上述問(wèn)題如果采用基于單總線的普通A/D轉(zhuǎn)換器件予以解決，會(huì)使相應(yīng)的硬件電路及軟件編程過(guò)于復(fù)雜。這里利用Dallas公司的單總線器件DS2438，巧妙地解決了上述問(wèn)題。下面首先介紹該器件，并重點(diǎn)介紹該器件與測(cè)控系統(tǒng)相關(guān)的功能。
DS2438是Dallas公司推出的智能電池監(jiān)視器。該器件是為了解決便攜式電子產(chǎn)品電池工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而推出的，主要性能特點(diǎn)如下：
?、賳慰偩€器件，僅需1根口線實(shí)現(xiàn)電源及雙向數(shù)據(jù)傳輸；
?、谄瑑?nèi)13位精度溫度傳感器，最小分辨率0.031 25℃；
③片內(nèi)10位二通道電壓A/D轉(zhuǎn)換器，最小分辨率為10mV；
?、芷瑑?nèi)10位電流A/D轉(zhuǎn)換器；
?、萜瑑?nèi)40字節(jié)非易失性用戶(hù)存儲(chǔ)器；
?、奁瑑?nèi)逝去時(shí)間計(jì)數(shù)器，完成充放電時(shí)間計(jì)時(shí)；
?、邌坞娫垂ぷ?，低功耗特性；
⑧工作溫度范圍為-40℃～+80℃。
DS2438采用SOIC表面貼裝封裝形式，其外形及引腳排列如圖1所示，引腳功能說(shuō)明見(jiàn)表1。
表1 DS2438引腳功能說(shuō)明
| 引腳號(hào) | 引腳名稱(chēng) |
說(shuō) 明 |
| 1 | GND | 接地 |
| 2 | VSENS+ | 電源電流監(jiān)視輸入（+） |
| 3 | VSENS- | 電池電流監(jiān)視輸入（-） |
| 4 | VAD | 通用A/D輸入端 |
| 5 | VDD | 供電電壓（2.4～10V） |
| 6,7 | NC | 空引腳 |
| 8 | DQ | 數(shù)據(jù)輸入/輸出、1線操作、開(kāi)漏 |
2 工作原理
DS2438的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
由圖2可知，DS2438由單總線接口、電壓A/D轉(zhuǎn)換器、電流A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、時(shí)鐘電路、40字節(jié)的E2PROM及與上述硬件相關(guān)的寄存器組成。其中的電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，可編程為由VDD電源端輸入或VAD輸入端輸入，以滿(mǎn)足VDD電源端及外部輸入模擬量VAD的測(cè)量要求。{{分頁(yè)}}
2.1 器件存儲(chǔ)單元
DS2438存儲(chǔ)器類(lèi)型包括易失性的SRAM和非易失性的E2PROM。DS2438內(nèi)部的存儲(chǔ)器為一個(gè)總?cè)萘?4字節(jié)的存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器被分為8頁(yè)，每頁(yè)8字節(jié)，頁(yè)地址為00～07H。其中第00頁(yè)是訪問(wèn)頻率最高的頁(yè)，該頁(yè)的結(jié)構(gòu)如表2所列。
表2 DS2438存儲(chǔ)器第00頁(yè)結(jié)構(gòu)
| 字節(jié)序號(hào) | 名 稱(chēng) | 內(nèi) 容 | 讀/寫(xiě)特性 | 易失特性 | |||||||
| DB7 | DB6 | DB5 | DB4 | DB3 | DB2 | DB1 | DB0 | ||||
| 0 | 狀態(tài)/配置寄存器 | X | ADB | NV | TB | AD | EE | CA | IAD | 讀 | 非易失 |
| 1 | 溫度低位寄存器 | 2 -1 | 2 -2 | 2 -3 | 2 -4 | 2 -5 | 0 | 0 | 0 | 讀 | 非易失 |
| 2 | 濕度高位寄存器 | S | 2 6 | 2 5 | 2 4 | 2 3 | 2 2 | 2 1 | 2 0 | 讀 | 非易失 |
| 3 | 電壓低位寄存器 | 2 7 | 2 6 | 2 5 | 2 4 | 2 3 | 2 2 | 2 1 | 2 0 | 讀 | 非易失 |
| 4 | 電壓高位寄存器 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 9 | 2 8 | 讀 | 非易失 |
| 5 | 電流低位寄存器 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 9 | 2 8 | 讀 | 非易失 |
| 6 | 電流高位寄存器 | S | S | S | S | S | S | S | 2 8 | 讀 | 非易失 |
| 7 | 閾值寄存器 | TH2 | TH1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 讀/寫(xiě) | 易失 |
第1頁(yè)為電流累加器、逝去時(shí)間計(jì)數(shù)器和電流補(bǔ)償單元；每2頁(yè)包括非易失性時(shí)間和充電時(shí)間標(biāo)記；第3～7頁(yè)是40字節(jié)的提供給用戶(hù)使用的E2PROM，可用于保存用戶(hù)數(shù)據(jù)。
2.2 寄存器
DS2438所有的寄存器都映射到上述的存儲(chǔ)器中，同時(shí)對(duì)DS2438的操作都是通過(guò)寄存器進(jìn)行的。
（1）狀態(tài)寄存器
狀態(tài)寄存器位于存儲(chǔ)器00頁(yè)的第0字節(jié)，該寄存器用于DS2438的功能控制，其中各位的默認(rèn)值為1，含義如下：
*IAD為電流A/D控制位。IAD=1，啟用電流A/D和ICA，且以32Hz速率測(cè)量電流；IAD=0，禁用電流A/D和ICA。
*CA為電流累加器配置位。CA=1，啟用CCA/DCA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)且可從第7頁(yè)恢復(fù)數(shù)據(jù)；CA=0，禁用CCA/DCA，第7頁(yè)可用于普通E2PROM存儲(chǔ)。
*EE為隱蔽電流累加器位。EE=1，將CCA/DCA計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)隱蔽到E2PROM，電量每增加0.32C，當(dāng)前計(jì)數(shù)器加1；EE=0，CCA/DCA計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)將不隱蔽到E2PROM。
*AD為電壓A/D輸入選擇位。AD=1，電壓A/D選擇由VDD端輸入；AD=0，電壓A/D選擇由VAD端輸入。
*TB為溫度轉(zhuǎn)換忙標(biāo)志位。TB=1，溫度轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；TB=0，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束。
*NVB為非易失存儲(chǔ)忙標(biāo)志位。NVB=1，在從可擦除區(qū)復(fù)制到E2PROM的存儲(chǔ)過(guò)程中；NVB=0，非易失存儲(chǔ)空閑狀態(tài)。一次E2PROM存儲(chǔ)占用2～10ms。
*ADB為A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志位，ADB=1，電壓A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；ADB=0，轉(zhuǎn)換結(jié)束或無(wú)測(cè)量。一次A/D轉(zhuǎn)換占用約10ms。
*X為不定位。
（2）溫度寄存器
DS2438可在-55～+125℃范圍內(nèi)以0.031 25℃的分辨率測(cè)量溫度值，溫度值為2的碼形式通過(guò)2字節(jié)溫度寄存器輸出。其中符號(hào)位S指示溫度值為正或負(fù)；S=0，溫度值為正；S=1，溫度值為負(fù)。
（3）電壓寄存器
DS2438的電壓輸入范圍是0～10V，且電壓ADC的輸入，可通過(guò)狀態(tài)/結(jié)構(gòu)寄存器的AD位來(lái)選擇由VDD輸入或由VAD輸入。電壓A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果放在2字節(jié)電壓寄存器中，單位為mV。
（4）電流寄存器
DS2438通過(guò)測(cè)量電流取樣電阻RSENS兩端的電壓來(lái)間接測(cè)量流過(guò)電池的電流。采用10位ADC，其分辨率為0.005C，電流測(cè)量值的結(jié)果放在2字節(jié)的電流寄存器中其中電流測(cè)量符號(hào)位S，用于指示充電或放電。
2.3 單總線協(xié)議
DS2438是Dallas公司基于單總線的器件。該器件的操作完全遵循單總線協(xié)議，其ROM命令有4個(gè)。
?、僮xROM[33H]；
?、谄ヅ銻OM[55H]；
?、厶^(guò)ROM[F0H]。
主機(jī)在操作DS2348之前，必須先發(fā)送上述4個(gè)ROM命令中的一個(gè)。在DS2438成功執(zhí)行上述命令之后，主機(jī)可使用下面的內(nèi)存命令操作DS2438。
由于DS2438的內(nèi)存分為7頁(yè)，故其內(nèi)存操作命令和其它的單總線器件略有不同。DS2438的內(nèi)存操作命令如下：
?、賹?xiě)高速暫存存儲(chǔ)器[4EHXXH]；
②讀高速暫存存儲(chǔ)器[BEHXXH];
?、圩x制高速暫存存儲(chǔ)器[48HXX]；
?、芑謴?fù)存儲(chǔ)器[B8HXXH];
⑤溫度轉(zhuǎn)換命令[44H]；
⑥電壓轉(zhuǎn)換命令[B4H]。
上述內(nèi)存命令中的XXH為高速暫存存儲(chǔ)器的頁(yè)地址，有效的頁(yè)碼地址為00～07H。
DS2438對(duì)高速暫存存儲(chǔ)器的操作中，除了基本的命令外，還必須將等操作的高暫存存儲(chǔ)器的頁(yè)地址送出去。DS2438允許1次讀/寫(xiě)1頁(yè)內(nèi)的全部8個(gè)字節(jié)，且讀寫(xiě)字節(jié)操作可使用復(fù)位命令在任何瞬間終止。
值得注意的是，DS2438的溫度轉(zhuǎn)換命令及電壓轉(zhuǎn)換命令發(fā)出后，主機(jī)需等待10～20ms，以使DS2438完成溫度及電壓轉(zhuǎn)換；同時(shí)，若采用寄生電源供電，應(yīng)將總線拉高，以保證充足的能量供應(yīng)。
3 DS2438在單總線微網(wǎng)中的應(yīng)用
下面給出將DS2438應(yīng)用于單總線微網(wǎng)的具體實(shí)例：?jiǎn)慰偩€溫度傳感器設(shè)計(jì)。溫度的測(cè)量在倉(cāng)儲(chǔ)檢測(cè)、生產(chǎn)制造及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，但濕度的測(cè)量卻較困難。原因是溫度傳感器大都為模擬小信號(hào)輸出，且在線性度、重復(fù)性、一致性等方面不盡如意。如果能夠利用現(xiàn)有的模擬濕度傳感器，設(shè)計(jì)出基于單總線的數(shù)字式濕度傳感器，則可配合單總線微網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成全數(shù)字化的多點(diǎn)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，如數(shù)字化糧情檢測(cè)、數(shù)字化倉(cāng)儲(chǔ)檢測(cè)系統(tǒng)等。即可降低系統(tǒng)布線費(fèi)用，又可提高系統(tǒng)性能，因而具有非常不定期實(shí)的意義。這里，利用模擬大信號(hào)相對(duì)濕度傳感器并配合DS2438，設(shè)計(jì)出一種完全符合單總線協(xié)議的濕度傳感器（電路參見(jiàn)圖4）。{{分頁(yè)}}
3.1 濕度傳感器
由于單總線微網(wǎng)采用寄存電源的方式向單總線器件供電，因此，要求掛接在單總線微網(wǎng)上的器件必須滿(mǎn)足低功耗的要求。這里，選用了具有低功耗特性的模擬大信號(hào)濕度傳感器HIH-3610。HIH-3610是美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的相對(duì)濕度傳感器。該傳器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時(shí)在內(nèi)部集成了信號(hào)處理功能電路，因此，可完成將相對(duì)濕度值變換成電容值，再將電容傳轉(zhuǎn)換成線性的電壓輸出。同時(shí)該傳感器還具精度高、響應(yīng)快速、高穩(wěn)定性、低溫漂、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)及互換性好等優(yōu)點(diǎn)，其性能指標(biāo)如表3所列，輸出電壓與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線如圖3所示。
表3 HIH-3610濕度傳感器性能指標(biāo)
| 參 數(shù) | 指 標(biāo) |
| RH精度 |
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