用單總線(xiàn)技術(shù)設計環(huán)境狀態(tài)監控系統

環(huán)境狀態(tài)監控系統通常用于程控機房、精密儀器室、圖書(shū)館、庫房、無(wú)人值守站、變電站等場(chǎng)所，實(shí)時(shí)監測現場(chǎng)環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧、浸水及非法侵入等情況，根據設定值自動(dòng)報警并驅動(dòng)相關(guān)執行器。這是計算機在測控領(lǐng)域的典型應用的實(shí)例。通常的設計方案是選用一塊性能符合要求的多路數據采集(A/D)卡，與PC機或單片機的并行口相聯(lián)，然后把各種傳感器送來(lái)的模擬信號經(jīng)多路轉換開(kāi)關(guān)加到A/D上，轉換成數字信號后交計算機進(jìn)行處理。但是這樣設計至少存在兩大缺點(diǎn)：其一，要拉一大把線(xiàn)路才能把現場(chǎng)傳感器的信號送到采集卡上，布線(xiàn)施工麻煩、成本高；其二，線(xiàn)路上傳送的是模擬信號，易受干擾、易被損耗。因此，這種方案的性能價(jià)格比較低。本文介紹一種近年才推出的單總線(xiàn)技術(shù)，能有效地克服上述缺點(diǎn)。

1 單總線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

單總線(xiàn)技術(shù)是美國達拉斯半導體公司近年推出的新技術(shù)。它將地址線(xiàn)、數據線(xiàn)、控制線(xiàn)合為一根信號線(xiàn)，允許在這根信號線(xiàn)上掛上數百個(gè)測控對象，這些測控對象所用器件芯片是由該公司提供的。每個(gè)芯片均有一個(gè)64位的ROM，廠(chǎng)家對每一個(gè)芯片用激光燒寫(xiě)編碼，其中存有16位十進(jìn)制編碼的序列號，也稱(chēng)之為身份證號，確保掛在單總線(xiàn)上后，可以被唯一地區分識別出來(lái)。這是定位和尋址器件實(shí)現單總線(xiàn)測控功能的前提條件。ROM中含有CRC檢驗碼，能確保數據交換可靠。芯片內還含有收、發(fā)控制和電源存儲電路，其示意圖如圖1所示。這些芯片的耗電量都很小，從總線(xiàn)上“偷”一點(diǎn)電(空閑時(shí)幾微瓦，工作時(shí)幾毫瓦)存在大電容中就可正常工作了，故一般不用另附電源。更為可貴的是這些芯片在檢測點(diǎn)就把模擬信號數字化了，這樣在單總線(xiàn)上傳送的是數字信號，使系統的抗干擾性能好、可靠性高。

應當指出，單總線(xiàn)技術(shù)是建立在碼分多址、串行分時(shí)數據交換的基礎上的，因此只能用于對速度要求不高的場(chǎng)合，一般用于100kbps以下速率的測控系統中。

2 系統的組建

采用單總線(xiàn)技術(shù)設計環(huán)境狀態(tài)監控系統，只要將一條雙絞線(xiàn)(一根為信號線(xiàn)，一根為地線(xiàn))從計算機拉向監控現場(chǎng)，然后將各種監控對象掛在其上就可以了，其示意圖如圖2所示。圖中是以PC機串行口作輸出的，因此需要串接一個(gè)由RS232到單總線(xiàn)的適配器。實(shí)際上，單總線(xiàn)技術(shù)也允許從PC機或單片機并行口的某一位輸出。圖中只畫(huà)出了一個(gè)監控現場(chǎng)的配置，其布線(xiàn)接頭與電話(huà)線(xiàn)路通常用的一樣，插入和拔出都很方便。

該技術(shù)作用距離通常為300米，經(jīng)擴展可達2000米?？梢越M建成一個(gè)由PC機驅動(dòng)的微型局域網(wǎng)，該網(wǎng)干線(xiàn)長(cháng)度可達200米，可掛20路支線(xiàn)；支線(xiàn)長(cháng)度可達50米，可掛30個(gè)器件，能滿(mǎn)足一般監控系統的要求。

3 硬件配置

單總線(xiàn)專(zhuān)用芯片的種類(lèi)和型號很多，可以參閱達拉斯公司的數據手冊和光盤(pán)(Data Book and CD ROM)根據需要選用，也可從互聯(lián)網(wǎng)上訪(fǎng)問(wèn)。這里簡(jiǎn)單介紹圖2中用到的一些器件芯片。

3.1 串口RS232到單總線(xiàn)適配器

當采用PC機進(jìn)行低速測控時(shí)，用串行口RS232連接是很方便的，但它不能同時(shí)掛上許多測控對象。為此要采用RS232到單總線(xiàn)的適配器，實(shí)現與PC機方便的連接。達拉斯公司提供DS9097等型號的適配器，它可完成多線(xiàn)對一線(xiàn)的轉換及電平的變換。

3.2 數字溫度計

達拉斯公司提供了多種數字溫度計，適合單總線(xiàn)應用的典型產(chǎn)品是DS1820，其主要特性為：

·測量溫度：－55°C～+125°C
·分辨率：0.5°C
·溫度值輸出：9位數字量
·轉換速度： 200ms/次
·上下限溫度設置為用戶(hù)定義式
·不需外圍電路，電源可由單總線(xiàn)提供
·兩種封裝形式：3端PR－35塑封或16腳SSOP封裝

該溫度計是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系、通過(guò)對振蕩周期的計數來(lái)實(shí)現溫度測量的。為了擴大測溫范圍和提高分辨率，使用了一個(gè)低溫系數振蕩器和一個(gè)高溫系數振蕩器分別進(jìn)行計數，并采用了非線(xiàn)性累加器等電路來(lái)改善線(xiàn)性，故此DS1820具有上述良好的特性，而且售價(jià)僅為通常模擬溫度變送器的十分之一左右。

3.3 A/D轉換器

在單總線(xiàn)上直接掛上A/D轉換器，會(huì )使系統的檢測功能大大增強。各種物理量只要通過(guò)傳感器變?yōu)殡妷毫?，就可由A/D采集后經(jīng)單總線(xiàn)送到計算機進(jìn)行處理。達拉斯公司最近推出的DS2450就是這樣的A/D轉換器，其主要特性為：

·4路模擬輸入通道，兩種模擬輸入量程：
0～2.56V和0～5.12V
·一個(gè)數據輸出口，以16.3kbps的速率通信，超速模式可達142kbps
·逐次逼近的變換原理，2～16位轉換精度(可選擇)
·采用單總線(xiàn)協(xié)議
·響應模擬電壓超門(mén)限報警設置
·不用另接電源和外圍電路
·8腳SOIC 封裝

這樣，上述溫、濕度的檢測，也可改用A/D轉換器DS2450和模擬式溫、濕度傳感器串接來(lái)實(shí)現。圖2中的煙霧傳感器用作防火報警，通常有離子式、光電式兩種，其輸出電壓超過(guò)A/D設定門(mén)限則做火災報警。防非法侵入可選用熱釋電式或紅外式傳感器，當有人侵入行動(dòng)時(shí)，其輸出電壓可由A/D判知告警。

3.4 可尋址控制開(kāi)關(guān)

在測控系統中，開(kāi)關(guān)量控制是應用最多的。對計算機來(lái)講，則是送出一位0或1控制碼信號，用它去觸發(fā)被控電路。通常是先觸發(fā)光電耦合器，然后啟動(dòng)繼電器、晶閘管或固體繼電器，視被控設備功率大小而選用合適的開(kāi)關(guān)器件。

達拉斯公司提供了一些可尋址的控制開(kāi)關(guān)，如DS2405，其主要特性為：

·適用于單總線(xiàn)協(xié)議
·由單總線(xiàn)上的數據作為開(kāi)關(guān)信號，控制漏極開(kāi)路輸出端的通斷狀態(tài)，如圖3所示。
·PIO引腳吸收能力大于4mA/0.4V
·不用外接電源
·三種封裝形式：TO－92三腳塑封；SOT－223四腳平面封裝和C－Lead六腳表面安裝封裝。


3.5 硅序列號DS2401

該芯片實(shí)際上是符合單總線(xiàn)協(xié)議的ROM硅片，廠(chǎng)家在其中寫(xiě)入了唯一的序列號，用作尋址定位的標識。例如圖2中的浸水報警，當置于地面上的探測器被水淹了，則短路接通了DS2401，被計算機查詢(xún)到后就會(huì )發(fā)出浸水報警。

3.6 防靜電保護二極管

為防止處在開(kāi)路狀態(tài)易受靜電等干擾侵入，通常在單總線(xiàn)線(xiàn)路的末端都接上DS9502之類(lèi)保護二極管。

4 軟件設計

在單總線(xiàn)測控系統中，軟件設計是技術(shù)的關(guān)鍵。簡(jiǎn)潔的硬件配置是靠復雜的軟件來(lái)支撐的。單總線(xiàn)軟件設計是基于達拉斯公司授權的軟件開(kāi)發(fā)商(ASDs)提供的TMEX軟件成套開(kāi)發(fā)工具。TMEX支持Microsoft Windows及DOS的各種計算機平臺，可以采用C、C++、Pascal(Borland Delphi)、Microsoft Access和Microsoft Visual Basic等計算機語(yǔ)言。TMEX還支持DS9097U通用串行口轉換器、DS9097、DS9087E及“真正”接地串行口轉換器和DS1410E、DS1410D并行轉換口。

為保證數據可靠地傳送，任一時(shí)刻單總線(xiàn)上只能有一個(gè)控制信號或數據。進(jìn)行數據通信時(shí)應符合單總線(xiàn)協(xié)議，計算機對某一測控對象操作時(shí)，一般有以下四個(gè)過(guò)程：⑴初始化信號；⑵傳送ROM命令；⑶傳送RAM命令；⑷數據交換。每次傳送的數據或命令都是由一系列的時(shí)序信號組成的，單總線(xiàn)上共有四種時(shí)序信號：⑴初始化信號(復位信號)；⑵寫(xiě)0信號；⑶寫(xiě)1信號；⑷讀信號。設計中應保證指令執行時(shí)間小于或等于時(shí)序信號中的最小時(shí)間。由于有了TMEX單總線(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)工具，軟件設計比較規范，容易掌握。

由于可在Windows平臺上開(kāi)發(fā)軟件，則可在屏幕上設計精美、生動(dòng)的界面，既可看到監控系統的總布局圖，又可查看某個(gè)監控現場(chǎng)的狀態(tài)數據和指示信號，進(jìn)而達到現代化、自動(dòng)化的管理水平。

綜上所述，用單總線(xiàn)技術(shù)設計環(huán)境狀態(tài)監控系統比采用傳統的數據采集方案具有較高的性能價(jià)格比。而且，可以看出該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：適用于低速測控場(chǎng)合；測控對象越多，越顯示其優(yōu)越性；性?xún)r(jià)比高；硬件施工、維修方便；抗干擾性能好;有CRC校驗，可靠性高；軟件設計規范；系統簡(jiǎn)明直觀(guān)，易于掌握。因此，積極推廣單總線(xiàn)技術(shù)的應用會(huì )有很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。