DS2438及其在單總線(xiàn)微網(wǎng)中的應用
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摘要：介紹內部集成多種功能部件的單總線(xiàn)器件DS2438，利用該器件內部豐富的硬件資源，可構成具有環(huán)境溫度及單總線(xiàn)供電電壓補償功能的單總線(xiàn)數據采集系統；介紹器件性能特點(diǎn)、內部結構及工作原理，并給出該器件在單總線(xiàn)微網(wǎng)中的具體應用實(shí)例。
關(guān)鍵詞：單總線(xiàn)微網(wǎng) 測控系統 單片機 傳感器
1 概述
在數字化測控系統中，由于單總線(xiàn)微網(wǎng)僅使用1根導線(xiàn)進(jìn)行雙向數據傳送，并同時(shí)為遠端器件提供電源，既降低了測控系統的硬件成本，又提高了系統的可靠性，因而是有著(zhù)廣泛應用前景的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。但是，由于單總線(xiàn)微網(wǎng)一方面要傳送數據，另一方面還要向單總線(xiàn)器件提供電源，這必然造成單總線(xiàn)上供電電源電壓的波動(dòng)；而測控系統中所使用的傳感器元件，其輸出值不僅正比于被測量，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量精度，就必須進(jìn)行相應的電壓校正。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)行相應的溫度補償。
上述問(wèn)題如果采用基于單總線(xiàn)的普通A/D轉換器件予以解決，會(huì )使相應的硬件電路及軟件編程過(guò)于復雜。這里利用Dallas公司的單總線(xiàn)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)介紹該器件與測控系統相關(guān)的功能。
DS2438是Dallas公司推出的智能電池監視器。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)監測而推出的，主要性能特點(diǎn)如下：
?、賳慰偩€(xiàn)器件，僅需1根口線(xiàn)實(shí)現電源及雙向數據傳輸；
?、谄瑑?3位精度溫度傳感器，最小分辨率0.031 25℃；
?、燮瑑?0位二通道電壓A/D轉換器，最小分辨率為10mV；
?、芷瑑?0位電流A/D轉換器；
?、萜瑑?0字節非易失性用戶(hù)存儲器；
?、奁瑑仁湃r(shí)間計數器，完成充放電時(shí)間計時(shí)；
?、邌坞娫垂ぷ?，低功耗特性；
?、喙ぷ鳒囟确秶鸀?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 | 引腳名稱(chēng) |
說(shuō) 明 |
| 1 | GND | 接地 |
| 2 | VSENS+ | 電源電流監視輸入（+） |
| 3 | VSENS- | 電池電流監視輸入（-） |
| 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 | 數據輸入/輸出、1線(xiàn)操作、開(kāi)漏 |
2 工作原理
DS2438的內部結構框圖如圖2所示。
由圖2可知，DS2438由單總線(xiàn)接口、電壓A/D轉換器、電流A/D轉換器、溫度傳感器、時(shí)鐘電路、40字節的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的測量要求。{{分頁(yè)}}
2.1 器件存儲單元
DS2438存儲器類(lèi)型包括易失性的SRAM和非易失性的E2PROM。DS2438內部的存儲器為一個(gè)總容量64字節的存儲器。存儲器被分為8頁(yè)，每頁(yè)8字節，頁(yè)地址為00～07H。其中第00頁(yè)是訪(fǎng)問(wèn)頻率最高的頁(yè)，該頁(yè)的結構如表2所列。
表2 DS2438存儲器第00頁(yè)結構
| 字節序號 | 名 稱(chēng) | 內 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)間計數器和電流補償單元；每2頁(yè)包括非易失性時(shí)間和充電時(shí)間標記；第3～7頁(yè)是40字節的提供給用戶(hù)使用的E2PROM，可用于保存用戶(hù)數據。
2.2 寄存器
DS2438所有的寄存器都映射到上述的存儲器中，同時(shí)對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)寄存器位于存儲器00頁(yè)的第0字節，該寄存器用于DS2438的功能控制，其中各位的默認值為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存儲數據且可從第7頁(yè)恢復數據；CA=0，禁用CCA/DCA，第7頁(yè)可用于普通E2PROM存儲。
*EE為隱蔽電流累加器位。EE=1，將CCA/DCA計數器數據隱蔽到E2PROM，電量每增加0.32C，當前計數器加1；EE=0，CCA/DCA計數器數據將不隱蔽到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為溫度轉換忙標志位。TB=1，溫度轉換正在進(jìn)行；TB=0，溫度轉換結束。
*NVB為非易失存儲忙標志位。NVB=1，在從可擦除區復制到E2PROM的存儲過(guò)程中；NVB=0，非易失存儲空閑狀態(tài)。一次E2PROM存儲占用2～10ms。
*ADB為A/D轉換標志位，ADB=1，電壓A/D轉換正在進(jìn)行；ADB=0，轉換結束或無(wú)測量。一次A/D轉換占用約10ms。
*X為不定位。
（2）溫度寄存器
DS2438可在-55～+125℃范圍內以0.031 25℃的分辨率測量溫度值，溫度值為2的碼形式通過(guò)2字節溫度寄存器輸出。其中符號位S指示溫度值為正或負；S=0，溫度值為正；S=1，溫度值為負。
（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)/結構寄存器的AD位來(lái)選擇由VDD輸入或由VAD輸入。電壓A/D轉換的結果放在2字節電壓寄存器中，單位為mV。
（4）電流寄存器
DS2438通過(guò)測量電流取樣電阻RSENS兩端的電壓來(lái)間接測量流過(guò)電池的電流。采用10位ADC，其分辨率為0.005C，電流測量值的結果放在2字節的電流寄存器中其中電流測量符號位S，用于指示充電或放電。
2.3 單總線(xiàn)協(xié)議
DS2438是Dallas公司基于單總線(xiàn)的器件。該器件的操作完全遵循單總線(xiàn)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成功執行上述命令之后，主機可使用下面的內存命令操作DS2438。
由于DS2438的內存分為7頁(yè)，故其內存操作命令和其它的單總線(xiàn)器件略有不同。DS2438的內存操作命令如下：
?、賹?xiě)高速暫存存儲器[4EHXXH]；
?、谧x高速暫存存儲器[BEHXXH];
?、圩x制高速暫存存儲器[48HXX]；
?、芑謴痛鎯ζ鱗B8HXXH];
?、轀囟绒D換命令[44H]；
?、揠妷恨D換命令[B4H]。
上述內存命令中的XXH為高速暫存存儲器的頁(yè)地址，有效的頁(yè)碼地址為00～07H。
DS2438對高速暫存存儲器的操作中，除了基本的命令外，還必須將等操作的高暫存存儲器的頁(yè)地址送出去。DS2438允許1次讀/寫(xiě)1頁(yè)內的全部8個(gè)字節，且讀寫(xiě)字節操作可使用復位命令在任何瞬間終止。
值得注意的是，DS2438的溫度轉換命令及電壓轉換命令發(fā)出后，主機需等待10～20ms，以使DS2438完成溫度及電壓轉換；同時(shí)，若采用寄生電源供電，應將總線(xiàn)拉高，以保證充足的能量供應。
3 DS2438在單總線(xiàn)微網(wǎng)中的應用
下面給出將DS2438應用于單總線(xiàn)微網(wǎng)的具體實(shí)例：?jiǎn)慰偩€(xiàn)溫度傳感器設計。溫度的測量在倉儲檢測、生產(chǎn)制造及日常生活中有著(zhù)廣泛的應用，但濕度的測量卻較困難。原因是溫度傳感器大都為模擬小信號輸出，且在線(xiàn)性度、重復性、一致性等方面不盡如意。如果能夠利用現有的模擬濕度傳感器，設計出基于單總線(xiàn)的數字式濕度傳感器，則可配合單總線(xiàn)微網(wǎng)技術(shù)構成全數字化的多點(diǎn)溫濕度測量系統，如數字化糧情檢測、數字化倉儲檢測系統等。即可降低系統布線(xiàn)費用，又可提高系統性能，因而具有非常不定期實(shí)的意義。這里，利用模擬大信號相對濕度傳感器并配合DS2438，設計出一種完全符合單總線(xiàn)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(xiàn)微網(wǎng)采用寄存電源的方式向單總線(xiàn)器件供電，因此，要求掛接在單總線(xiàn)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濕度傳感器HIH-3610。HIH-3610是美國Honeywell公司生產(chǎn)的相對濕度傳感器。該傳器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時(shí)在內部集成了信號處理功能電路，因此，可完成將相對濕度值變換成電容值，再將電容傳轉換成線(xiàn)性的電壓輸出。同時(shí)該傳感器還具精度高、響應快速、高穩定性、低溫漂、抗化學(xué)腐蝕性能強及互換性好等優(yōu)點(diǎn)，其性能指標如表3所列，輸出電壓與相對濕度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。
表3 HIH-3610濕度傳感器性能指標
| 參 數 | 指 標 |
| RH精度 |
關(guān)鍵詞：
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