一線(xiàn)式數字溫度計DS1822的原理及應用

關(guān)鍵詞：測溫；一線(xiàn)芯片；DS1822

一線(xiàn)總線(xiàn)芯片是美國Ｄａｌｌａｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司推出的系列產(chǎn)品。這是一種用一根信號線(xiàn)與一根返回線(xiàn)來(lái)實(shí)現互連通信的集成電路芯片。采用這種芯片構成的微型局域網(wǎng)系統具有建網(wǎng)速度快、成本低的特點(diǎn)，非常適合現場(chǎng)應用。一線(xiàn)數字溫度計（１－Ｗｉｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ）芯片ＤＳ１８２２就是Ｄａｌｌａｓ公司推出的系列一線(xiàn)總線(xiàn)產(chǎn)品之一，它支持Ｄａｌｌａｓ觸摸接口，遵循一線(xiàn)協(xié)議，并可以與處理器進(jìn)行雙向數字通信，同時(shí)性?xún)r(jià)比也很高，是一種使用起來(lái)非常方便的經(jīng)濟型溫度傳感器。

１　引腳功能及內部結構

ＤＳ１８２２的外形封裝如圖１所示。

其中(ａ)是采用３引腳ＴＯ－９２的封裝形式；(ｂ)是采用８引腳ＳＯＩＣ的封裝形式；(ｃ)是采用６引腳ＴＳＯＣ的封裝形式；ＧＮＤ為電源地；ＶＤＤ為外接供電電源輸入端(采用寄生電源方式時(shí)接地)；ＤＱ為數字信號輸入／輸出端；ＮＣ為空腳。

ＤＳ１８２２內部電路的核心是一個(gè)直接數字輸出的溫度傳感器。它可將－５５～１２５℃ 范圍內的溫度值按９位、１０位、１１位、１２位的分辨率進(jìn)行量化，且以上的分辨率都包括一個(gè)符號位，因此對應的溫度量化值分別是０．５℃、０．２５℃、０．１２５℃、０．０６２５℃，即最高分辨率為０．０６２５℃，工作電壓范圍為３．０～５．５Ｖ。每一片ＤＳ１８２２都有一個(gè)唯一的且不可改寫(xiě)的ＲＯＭ ＩＤ標識碼（電子序列號），在實(shí)際應用中可以通過(guò)指令方便地進(jìn)行查詢(xún)。

ＤＳ１８２２的內部結構如圖２所示。

２ DS1822的基本操作指令

ＤＳ１８２０的操作指令分為ＲＯＭ操作指令和存儲器操作指令。

２．１ ＲＯＭ操作指令及其功能說(shuō)明

Ｒｅａｄ ＲＯＭ指令（代碼為３３ｈ）：如果總線(xiàn)上只有一片ＤＳ１８２２，則允許總線(xiàn)主機讀?。模樱保福玻驳男蛄刑?，若在線(xiàn)ＤＳ１８２２多于一個(gè)時(shí)，它們將同時(shí)發(fā)送ＩＤ，這樣就會(huì )出現數據沖突。

Ｍａｔｃｈ ＲＯＭ指令（代碼為５５ｈ）：多個(gè)ＤＳ１８２２在線(xiàn)時(shí)，主機可用此命令匹配一個(gè)給定序列號的ＤＳ１８２２，此后的命令就針對該ＤＳ１８２２。該命令適用于單節點(diǎn)和多節點(diǎn)兩種場(chǎng)合。

Ｓｋｉｐ ＲＯＭ指令（代碼為ＣＣｈ）：該命令用在單節點(diǎn)總線(xiàn)系統中可以節省時(shí)間，這時(shí)主機不需發(fā)送６４位ＲＯＭ ＩＤ就能直接訪(fǎng)問(wèn)芯片的ＲＡＭ存儲器。

Ｓｅａｒｃｈ ＲＯＭ指令（代碼為Ｆ０ｈ）：用以讀取在線(xiàn)的ＤＳ１８２２的序列號。

Ａｌａｒｍ Ｓｅａｒｃｈ指令（代碼為ＥＣｈ）：當檢測到溫度超出所規定的門(mén)限值時(shí)，此命令可以讀出報警的ＤＳ１８２２。

２．２ 存儲器操作指令及其功能說(shuō)明

Ｗｒｉｔｅ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令（代碼為４Ｅｈ）：將溫度報警上限值與下限值分別寫(xiě)入ＤＳ１８２２便箋式存儲器的ＴＨ與ＴＬ字節中。

Ｒｅａｄ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令（代碼為ＢＥｈ）：讀取便箋式寄存器中的溫度值。

Ｃｏｐｙ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令（代碼為４８ｈ）：將便箋式存儲器ＴＨ／ＴＬ中的內容復制到ＳＲＡＭ中，保證溫度值不丟失。

Ｃｏｎｖｅｒｔ Ｔ指令（代碼為４４ｈ）：?jiǎn)?dòng)在線(xiàn)ＤＳ１８２２做溫度Ａ／Ｄ轉換。

Ｒｅｃａｌｌ ＳＲＡＭ指令（代碼為Ｂ８ｈ）：利用該指令可以將存儲在ＳＲＡＭ中的溫度報警觸發(fā)值回讀到便箋式存儲器中。上電時(shí)ＤＳ１８２２會(huì )自動(dòng)執行一次回讀操作，以保證器件上電后便箋式存儲器中的數據是有效的。

Ｒｅａｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ指令（代碼為Ｂ４ｈ）：如果主機在發(fā)出該命令后再輸出讀時(shí)隙，那么，器件就會(huì )送出它所使用的電源信息：其中“０”為寄生電源；“１”為外部電源。

３　DS1822的測溫原理

用ＤＳ１８２２一線(xiàn)式數字溫度芯片測量溫度的原理如圖３所示。它沒(méi)有采用傳統的Ａ／Ｄ轉換原理，如逐次逼近法、雙積分式和算術(shù)Ａ／Ｄ等，而是運用了一種將溫度直接轉換為頻率的時(shí)鐘計數法，計數時(shí)鐘由溫度系數很低的振蕩器產(chǎn)生，因而非常穩定；而計數的閘門(mén)周期則由溫度系數很高（即對溫度非常敏感）的振蕩器來(lái)決定。

計數器中的預置值以－５５℃時(shí)的計數值為基準，在閘門(mén)開(kāi)放計數期間，每當計數值達到０，則溫度寄存器就加１，溫度寄存器中的預置值也以－５５℃的測量值為基準。同時(shí)計數器的預置值還與斜坡累加器電路有關(guān)，該電路用于補償振蕩器對溫度的拋物線(xiàn)特性，因此還要用時(shí)鐘脈沖針對這個(gè)非線(xiàn)形校正預置值作計數操作，直至計數值達到０為止，如果此時(shí)閘門(mén)還未關(guān)閉，則再重復計數過(guò)程。斜坡累加器補償了振蕩器對溫度的非線(xiàn)形特性，從而可以獲得較高的溫度測量分辨率，改變相對于測溫量化級的計數量大小即可獲得不同的分辨率。

４ DS1822一線(xiàn)總線(xiàn)的接口電路

ＤＳ１８２２的總線(xiàn)接口電路如圖４所示，其中圖（ａ）為使用寄生電源的接法，即通過(guò)總線(xiàn)給ＤＳ１８２２供電，圖（ｂ）為采用外接電源的接法。

從兩種接法來(lái)看，ＤＳ１８２２測量溫度時(shí)無(wú)需外接元件，電路簡(jiǎn)單。ＤＳ１８２２的工作電流為１．５ｍＡ。應當注意：當溫度高于１００℃時(shí)，不能使用寄生電源，因為此時(shí)器件中較大的漏電流會(huì )使總線(xiàn)不能可靠檢測高低電平，從而導致數據傳輸誤碼率的增大。

５ DS1822的測溫過(guò)程

在測溫時(shí)對ＤＳ１８２２進(jìn)行操作的步驟如下：

⑴ 初始化（Ｒｅａｄ ＲＯＭ指令，代碼３３ｈ），每次對ＤＳ１８２０進(jìn)行操作之前都要對其進(jìn)行初始化，主要目的在于確定溫度傳感器是否已經(jīng)連接到單總線(xiàn)上。

(２) 查找ＤＳ１８２２（Ｓｅａｒｃｈ ＲＯＭ指令，代碼Ｆ０ｈ），該指令可使處理器通過(guò)排除法來(lái)辨別總線(xiàn)上的ＤＳ１８２２。

(３)匹配ＤＳ１８２２（Ｍａｔｃｈ ＲＯＭ指令，代碼５５ｈ），只有完全符合６４位ＲＯＭ序列的ＤＳ１８２２才能響應其后的指令，當然，單點(diǎn)測溫時(shí)可以使用Ｓｋｉｐ ＲＯＭ（ＣＣｈ）指令來(lái)跳過(guò)這一步。

(４)發(fā)送溫度轉換指令（Ｃｏｎｖｅｒｔ Ｔ指令 代碼４４ｈ），發(fā)送該指令后應查詢(xún)總線(xiàn)上的電平，當電平為高時(shí)，溫度轉換完成。

(５)讀取溫度值（Ｒｅａｄ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令 代碼ＢＥｈ），將該指令發(fā)出后，就可從總線(xiàn)上讀取表示溫度的兩字節的二進(jìn)制數。

整個(gè)測溫過(guò)程中的第４、５步才是ＤＳ１８２２進(jìn)行測溫并將結果進(jìn)行數字化轉換和輸出的過(guò)程。ＤＳ１８２２接收到轉換命令（４４ｈ）將立刻實(shí)施溫度轉換并將結果存儲到１６位便箋式存儲器中，數據格式為符號位擴展的二進(jìn)制補碼，然后用讀便箋式存儲器命令（ＢＥｈ）將所得數據順序置于總線(xiàn)上，最低位在前，最高位定義為符號位以表示溫度的正負。ＤＳ１８２２溫度與數字輸出典型值的對照表如表１所列。

表1 DS1822溫度與數字輸出的典型值

６ DS1822的報警操作

ＤＳ１８２２完成溫度轉換之后，其溫度值將和ＴＨ與ＴＬ中存儲的觸發(fā)門(mén)限值相比較，由于這兩個(gè)閾值只有８位，因此比較時(shí)測量值中相應的幾個(gè)低位將被忽略，ＴＨ和ＴＬ中的最高位直接對應１６位溫度存儲器中的符號位。如果比較的結果表明測量值高于ＴＨ中設定的上限溫度值或低于ＴＬ中設定的下限溫度值，則設置報警標志，該標志每次測量溫度時(shí)都要進(jìn)行更新。一旦報警標志設置后，器件就會(huì )響應主機發(fā)出的報警搜索命令，這種處理方式使得并接的多個(gè)ＤＳ１８２２可以同時(shí)實(shí)現溫度測量。如果某些點(diǎn)上的溫度超過(guò)設定的閾值，則這些報警的器件就能被及時(shí)識別出來(lái)，主機不必一個(gè)一個(gè)地讀取，比較判斷哪些是越界報警的器件。

７ DS1822中的存儲器

ＤＳ１８２２的存儲器結構如表２所列。它由９個(gè)字節的便箋式存儲器和３個(gè)易失性ＳＲＡＭ組成，便箋式存儲器方便了一線(xiàn)系統的數據傳輸。通常情況下，首先用寫(xiě)便箋式存儲器命令（４Ｅｈ）寫(xiě)入數據，然后用讀便箋式存儲器命令（ＢＥｈ）進(jìn)行校驗，最后通過(guò)復制便箋式存儲器命令（４８ｈ）將該數據寫(xiě)入ＳＲＡＭ。

表2 DS1822D的存儲器結構

表3 有關(guān)轉換參數設置對應表

便箋式存儲器由９個(gè)字節組成，第０、１字節存放溫度測量值；第２、３字節用于高、低門(mén)限設置；第４字節是配置存儲器；第５、６、７字節保留而未使用，讀取時(shí)各位均為１；第８字節可通過(guò)讀便箋式存儲器命令讀出，用于存放前８個(gè)字節的ＣＲＣ校驗值。易失性ＳＲＡＭ主要用于復制，每次上電時(shí)它們都會(huì )被刷新。

而便箋式存儲器第４字節的配置存儲器主要用于設置溫度的測量分辨率，該字節的數據格式如圖５所示。其中ｂｉｔ７讀時(shí)總為０，ｂｉｔ４～ｂｉｔ０讀時(shí)總為１，寫(xiě)入時(shí)這些位的取值可以是任意的。由圖５可知該配置寄存器實(shí)際上只用了ｂｉｔ６與ｂｉｔ５兩位，用以定義分辨率和轉換時(shí)間，其對應關(guān)系如表３所列，上電時(shí)的默認分辨率為１２位，但轉換速率最低。由該表還可以看出，當分辨率提高１位時(shí)，轉換速率成倍下降，這在實(shí)際應用中是需要考慮的，必須根據實(shí)際需要來(lái)權衡分辨率與速率之間的關(guān)系。

８ DS1822的應用電路

由ＤＳ１８２２與ＤＺＴ－５１２單總線(xiàn)溫度巡檢儀組成的測溫電路如圖６所示，通過(guò)ＤＺＴ－５１２單總線(xiàn)溫度巡檢儀就可對單總線(xiàn)上所有的ＤＳ１８２２進(jìn)行數據采集、并完成顯示及報警設定，讀寫(xiě)數據距離達６００米，ＤＳ１８２２經(jīng)ＲＳ２３２口與ＤＺＴ－５１２相連，將溫度數據送入計算機進(jìn)行分析處理。從圖中可看出，由ＤＳ１８２２組成的測溫系統具有布線(xiàn)結構簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低的特點(diǎn)。

９ 結束語(yǔ)

單總線(xiàn)技術(shù)以其線(xiàn)路簡(jiǎn)單、硬件開(kāi)銷(xiāo)小、成本低廉、軟件設計簡(jiǎn)單等優(yōu)勢有著(zhù)無(wú)可比擬的應用前景?；趩慰偩€(xiàn)技術(shù)的ＤＳ１８２２在未來(lái)的測溫領(lǐng)域中必將得到廣泛的應用。