基于LPC2214和μC/OS-II的iButton接口

摘要：为了在电力设备点检中正确区分各设备，采用iButton作为设备的电子数据标识。通过对iButton初始化及写入相应的操作时序，从硬件接口和软件编程两个方面，详细介绍在μC/OS-II实时操作系统中使用LPC2214读取iButton 64位标识码的设计方法。其接口设计已成功应用于点检机中。 关键词：iButton 1-Wire LPC2214 μC/OS-II 　　电力设备点检管理是利用检测设备和仪器，按照预先制订的技术标准，定人、定点、定路线、定周期、定方法、定检查记录，施行全过程对运行设备进行动态检查。点检人员按要求将手持的个人点检机与安置在设备现场的ID钮扣相接触后，该位置相应的若干作业指令应逐条显示在个人点检服务器上，指导各相关岗位人员完成点检工作；同时，采集的设备现场信息以数字形式被记录在点检器的存储器中，方便地上传给计算机管理系统进行统计分析。Dallas公司生产的iButton系列产品为工业现场的应用和信息识别技术研究创造了条件。 　　iButton(信息钮扣)的物理结构是一个封装在扁圆型不锈钢外壳里的直径为16 mm、厚度为3～6 mm的微型计算机晶片，是一种携带自动识别号的电子数据标签。先进的设计理念及封装形式赋予了iButton超强的抗冲击、防静电、防腐蚀、防水、防摩擦等性能，具有IC卡、磁卡等信息载体无法比拟的优势;极大地满足系统在可靠性、稳定性方面的要求，可确保十年以上的使用寿命。在以 LPC2214设计的点检机中，iButton得到了充分的应用。下面以DS1990A为例，对其与LPC2214之间一线串行通信方式进行研究。 1 DS1990A的性能特点 　　坚固耐用的iButton具有优秀的环境适应能力，可防尘、防潮和防震。这种紧凑的钮扣外形使其自动对准相应的探测器，易于人工操作使用。各种附件使DS1990A在巡检、物流等现代化管理系统中具有不可替代的作用。其主要性能指标如下： 　　◆ 工厂刻入的64位ROM包括48位唯一序列码、8位CRC校验码和8位家族码(01H)。 　　◆ 通过单线与主机进行数据通信，传输速率可达16.3 kbps。 　　◆ 标准16 mm直径和1Wire协议保证了与其他iButton产品的兼容性。 　　◆ 读取时间可在5 ms 以内。 　　◆ 温度范围-40～+85℃ [b]2 DS1990A与LPC2214硬件接口设计 [/b] 　　1-Wire是在一条总线上连接1个主控器和多个从机设备的系统。在任何情况下，DS1990A都是从机设备，而总线控制器常由微控制器充任。1-Wire总线定义了1根信号线，所以让总线上每个设备都在适当的时刻运行。DS1990A为漏级开路输出，总线主控制器可以采用与其一致的等效电路。在主控制器端需加1个上拉电阻，在短距离传输情况下上拉电阻约为5 kΩ。1个多点系统由1个1-Wire总线和连接在上面的多个从机设备组成。 　　1-Wire单总线的闲置状态为高电平。不管是何种原因，当传输操作过程需要暂停下来，且要求传送过程还能继续时，总线必须处于闲置状态；如果情况不是这样或者总线保持低电平超过120 μs，那总线上的所有器件将要复位。 　　DS1990A与LPC2214的接口电路如图1所示。由于LPC2214 P0口都已被点检机其他部分占用，P1口均有上拉电阻，并非开漏输出，因此需有2个I/O口接iButton。LPC2214的P1.22口接Tx，用作输出；P1.16口接Rx，用作输入。 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　图1DS1990A与LPC2214硬件接口 3 软件设计 　　DS1990A内建ROM仅由单根数据线访问。依据Dallas的1-Wire协议，可以从中提取48位序列码，8位家族码和8位CRC校验码。1-Wire通信协议规定，总线的收发按照特殊时隙下的总线状态进行，由主机发出的同步脉冲下降沿初始化；所有数据读写都按照低位在前的原则。 　　DS1990A在1-Wire总线上的数据访问命令流程依次为：初始化、ROM功能命令、读取数据。 3.1 初始化及应答 　　1-Wire总线上所有的传输操作均由初始化序列开始。初始化序列由主机发出的复位脉冲(Reset Pulse)和从机发出的在线应答脉冲(Presence Pulse)组成。一个复位脉冲紧跟一个在线应答脉冲表明DS1990A就绪，可执行恰当的ROM命令进行数据收发。 　　复位和在线应答脉冲时序如图2(a)所示，主机发送(Tx)一个复位脉冲(一个至少480 μs的低电平)，然后释放信号线进入接收模式(Rx)。此时，1-Wire总线被5 kΩ上拉电阻拉至高电平，当检测到数据线上信号的上升沿后，DS1990A等待(tPDL,15～60 μs)，然后发送在线应答脉冲(tPDL,15～60 μs)。 3.2 读写操作 　　一旦主机检测到应答脉冲，就可以发出ROM功能命令。所有ROM操作命令的长度为8位。Read ROM的命令为[33H]或[0FH]，此命令允许总线主控器读取DS1990A的8位家族码、唯一的48位序列码和8位CRC校验码。此命令仅当总线上只有一个DS1990A设备时可以使用。若总线上的从机设备超过一个，当各设备同时发送时将会引发数据冲突。Search ROM的命令为[F0H]，此命令允许总线主控器采用排除法来确认总线上所有设备的64位ROM码。 　　读/写时隙的定义如图2(b)、(c)所示，主机将数据线置低初始化所有时隙。在数据线的下降沿，通过触发DS1990A中的延时电路使得DS1990A与主机同步；在写时隙期间，延时电路决定何时DS1990A对数据线进行采样。至于读数据的时隙，如果传输的是“0”，延时电路将继续被置低近15 μs，然后被置高；如果数据位是“1”，则iButton保持读数据的时隙不变。 　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2复位和读/写时序 3.3 关键代码及实现 　　主机和iButton的通信是通过初始化、写数据时序、读数据时序完成的，命令和数据的各个字节均由最低有效位开始逐位传送。在程序中，先初始化LPC2214的Time1定时器，将其定时时间设定为10 μs，Delay子程序的作用是使其延迟time倍的10 μs。Reset、WriteByte、ReadByte分别是初始化、读、写1字节的子程序。在指针型函数*GetButtonID中，将iButton的64位序列码保存在ButtonID数组中,最后返回指向这个数组的指针。（程序见本刊网站www.mesnet.com.cn——编者注） 结语 　　为避免设备的维修不足或检修过剩，当前电力设备管理正由定期检修和计划检修管理体制，向预知性设备状态检修体制转变，其根本目标是提高设备可靠性、经济性、降低生产成本，提高设备的利用率。Dallas公司推出的智能信息载体iButton与其他类型的智能卡相比，能更好地解决电力现场环境比较恶劣，油污、灰尘、振动、电磁等不利因素对它的干扰问题。本文提供的DS1990A与LPC2214在嵌入式实时操作系统μC/OSII中的接口的软硬件设计，已在智能点检机中推广应用。随着相关技术的发展，iButton信息识别技术在工业领域的应用会越来越广泛，其经济作用会越来越大。