用单总线技术设计环境状态监控系统

    摘 要： 介绍美国达拉斯半导体(Dallas Semiconductor)公司近年推出的单总线技术及相应的芯片，具体说明了用其设计环境状态监控系统比采用传统的数据采集的方案具有更高的性能价格比。

    关键词： 单总线 环境监控 计算机应用    

    环境状态监控系统通常用于程控机房、精密仪器室、图书馆、库房、无人值守站、变电站等场所，实时监测现场环境中的温度、湿度、烟雾、浸水及非法侵入等情况，根据设定值自动报警并驱动相关执行器。这是计算机在测控领域的典型应用的实例。通常的设计方案是选用一块性能符合要求的多路数据采集(A/D)卡，与PC机或单片机的并行口相联，然后把各种传感器送来的模拟信号经多路转换开关加到A/D上，转换成数字信号后交计算机进行处理。但是这样设计至少存在两大缺点：其一，要拉一大把线路才能把现场传感器的信号送到采集卡上，布线施工麻烦、成本高；其二，线路上传送的是模拟信号，易受干扰、易被损耗。因此，这种方案的性能价格比较低。本文介绍一种近年才推出的单总线技术，能有效地克服上述缺点。

    １ 单总线技术简介

   单总线技术是美国达拉斯半导体公司近年推出的新技术。它将地址线、数据线、控制线合为一根信号线，允许在这根信号线上挂上数百个测控对象，这些测控对象所用器件芯片是由该公司提供的。每个芯片均有一个64位的ROM，厂家对每一个芯片用激光烧写编码，其中存有16位十进制编码的序列号，也称之为身份证号，确保挂在单总线上后，可以被唯一地区分识别出来。这是定位和寻址器件实现单总线测控功能的前提条件。ROM中含有CRC检验码，能确保数据交换可靠。芯片内还含有收、发控制和电源存储电路，其示意图如图1所示。这些芯片的耗电量都很小，从总线上“偷”一点电（空闲时几微瓦，工作时几毫瓦）存在大电容中就可正常工作了，故一般不用另附电源。更为可贵的是这些芯片在检测点就把模拟信号数字化了，这样在单总线上传送的是数字信号，使系统的抗干扰性能好、可靠性高。

    应当指出，单总线技术是建立在码分多址、串行分时数据交换的基础上的，因此只能用于对速度要求不高的场合，一般用于100kbps以下速率的测控系统中。

    ２ 系统的组建

    采用单总线技术设计环境状态监控系统，只要将一条双绞线（一根为信号线，一根为地线）从计算机拉向监控现场，然后将各种监控对象挂在其上就可以了，其示意图如图２所示。图中是以PC机串行口作输出的，因此需要串接一个由RS232到单总线的适配器。实际上，单总线技术也允许从ＰＣ机或单片机并行口的某一位输出。图中只画出了一个监控现场的配置，其布线接头与电话线路通常用的一样，插入和拔出都很方便。

    该技术作用距离通常为300米，经扩展可达2000米。可以组建成一个由PC机驱动的微型局域网，该网干线长度可达200米，可挂20路支线；支线长度可达50米，可挂30个器件，能满足一般监控系统的要求。

    ３ 硬件配置

    单总线专用芯片的种类和型号很多，可以参阅达拉斯公司的数据手册和光盘(Data Book and CD ROM)根据需要选用，也可从互联网上访问。这里简单介绍图２中用到的一些器件芯片。

    3.1 串口RS232到单总线适配器

    当采用PC机进行低速测控时，用串行口RS232连接是很方便的，但它不能同时挂上许多测控对象。为此要采用RS232到单总线的适配器，实现与PC机方便的连接。达拉斯公司提供DS9097等型号的适配器，它可完成多线对一线的转换及电平的变换。

    3.2 数字温度计

    达拉斯公司提供了多种数字温度计，适合单总线应用的典型产品是DS1820，其主要特性为：

    ·测量温度：-55°Ｃ～+125°Ｃ

    ·分辨率：0.5°Ｃ

  ·温度值输出：9位数字量

    ·转换速度： 200ms／次

    ·上下限温度设置为用户定义式

    ·不需外围电路，电源可由单总线提供

    ·两种封装形式：3端PR-35塑封或16脚SSOP封装

    该温度计是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系、通过对振荡周期的计数来实现温度测量的。为了扩大测温范围和提高分辨率，使用了一个低温系数振荡器和一个高温系数振荡器分别进行计数，并采用了非线性累加器等电路来改善线性，故此DS1820具有上述良好的特性，而且售价仅为通常模拟温度变送器的十分之一左右。

    3.3 A/D转换器

    在单总线上直接挂上A/D转换器，会使系统的检测功能大大增强。各种物理量只要通过传感器变为电压量，就可由A/D采集后经单总线送到计算机进行处理。达拉斯公司最近推出的DS2450就是这样的A/D转换器，其主要特性为：

    ·4路模拟输入通道，两种模拟输入量程：

    0～2.56V和0～5.12V

    ·一个数据输出口，以16.3kbps的速率通信，超速模式可达142kbps

    ·逐次逼近的变换原理，2～16位转换精度可选择

    ·采用单总线协议

    ·响应模拟电压超门限报警设置

    ·不用另接电源和外围电路

    ·8脚SOIC 封装

    这样，上述温、湿度的检测，也可改用A/D转换器DS2450和模拟式温、湿度传感器串接来实现。图2中的烟雾传感器用作防火报警，通常有离子式、光电式两种，其输出电压超过A/D设定门限则做火灾报警。防非法侵入可选用热释电式或红外式传感器，当有人侵入行动时，其输出电压可由A/D判知告警。

    3.4 可寻址控制开关

    在测控系统中，开关量控制是应用最多的。对计算机来讲，则是送出一位0或1控制码信号，用它去触发被控电路。通常是先触发光电耦合器，然后启动继电器、晶闸管或固体继电器，视被控设备功率大小而选用合适的开关器件。

    达拉斯公司提供了一些可寻址的控制开关，如DS2405，其主要特性为：

    ·适用于单总线协议

    ·由单总线上的数据作为开关信号，控制漏极开路输出端的通断状态，如图3所示。

    ·PIO引脚吸收能力大于4mA/0.4V

    ·不用外接电源

    ·三种封装形式：TO-92三脚塑封；SOT-223四脚平面封装和C-Lead六脚表面安装封装。

    3.5 硅序列号DS2401

    该芯片实际上是符合单总线协议的ROM硅片，厂家在其中写入了唯一的序列号，用作寻址定位的标识。例如图２中的浸水报警，当置于地面上的探测器被水淹了，则短路接通了DS2401，被计算机查询到后就会发出浸水报警。

    3.6 防静电保护二极管

    为防止处在开路状态易受静电等干扰侵入，通常在单总线线路的末端都接上DS9502之类保护二极管。

    ４软件设计

    在单总线测控系统中，软件设计是技术的关键。简洁的硬件配置是靠复杂的软件来支撑的。单总线软件设计是基于达拉斯公司授权的软件开发商（ASDs）提供的ＴＭＥＸ软件成套开发工具。TMEX支持Microsoft Windows及DOS的各种计算机平台，可以采用C、C++、Pascal(Borland Delphi)、Microsoft Access和Microsoft Visual Basic等计算机语言。TMEX还支持DS9097U通用串行口转换器、DS9097、DS9097E及“真正”接地串行口转换器和DS1410E、DS1410D并行转换口。

    为保证数据可靠地传送，任一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。进行数据通信时应符合单总线协议，计算机对某一测控对象操作时，一般有以下四个过程：⑴初始化信号；⑵传送ROM命令；⑶传送RAM命令；⑷数据交换。每次传送的数据或命令都是由一系列的时序信号组成的，单总线上共有四种时序信号：⑴初始化信号（复位信号）；⑵写0信号；⑶写１信号；⑷读信号。设计中应保证指令执行时间小于或等于时序信号中的最小时间。由于有了ＴＭＥＸ单总线软件开发工具，软件设计比较规范，容易掌握。

    由于可在Windows平台上开发软件，则可在屏幕上设计精美、生动的界面，既可看到监控系统的总布局图，又可查看某个监控现场的状态数据和指示信号，进而达到现代化、自动化的管理水平。

    综上所述，用单总线技术设计环境状态监控系统比采用传统的数据采集方案具有较高的性能价格比。而且，可以看出该技术具有以下特点：适用于低速测控场合；测控对象越多，越显示其优越性；性价比高；硬件施工、维修方便；抗干扰性能好有CRC校验，可靠性高；软件设计规范；系统简明直观，易于掌握。因此，积极推广单总线技术的应用会有很好的经济效益和社会效益。