微型温度测量的数字化方案

微型温度测量的数字化方案

摘要：在各种传感器的设计中，温度是影响其性能指标的一个重要因素。在对体积限制很严格的条件下，解决了硅微加速度计设计中的内部温度测量问题。主要讨论了内嵌于加速度计的微型数字温度传感器DS18B20U的功能特点和使用要点，并且介绍了“一线”网关的硬件及软件设计。此项技术已有后续的软件开发实例。

随着技术的发展，各种惯性器件的性能在不断提高，体积也在不断小型化。对于惯性器件（如加速度计、陀螺）性能的提高，温度补偿作为一种重要的修正方式越来越引起人们的注意，因此如何在惯性器件极小的空间内精确地测量、传输、处理温度信息，成了能否使其性能和体积优势进一步提高的关键问题。

1 DS18B20U和“一线”总线

在研制新一代的微型MMS加速度计时，温度测量的难题以一次摆在人们的面前。在3～4cm3的空间内放置一个传统的SO-8或TO-92封装的器件都显得拥挤，更何况还要旋转一个非主要功能的温度传感器了。

纵观国际上现有的温度传感器的变化，总的趋势是从模拟向数字转变，相应的体积也在不断减小。在体积非常苛刻的惯性器件中使用高精度、数字输出型的温度传感器，MAXIM公司的DS18B20U最为符合要求。DS1820U是DS18B20系列产品中的一种。与以往模拟温度信号的输出不同，DS18B20的数字温度输出通过“一线”总线（1-Wire是被MAXIM公司收购的DALLAS公司新拥有的一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线）这种独特的方式，使多个DS18B20U方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。

DS18B20真正令人惊奇的是其μSOP封装，这种封装只有3.0mm×6.4mm的水平尺寸，高度小于1.2mm。这样可以节省更多的印刷电路板空间，非常适合于集成度高、对尺寸要求严格的惯性器件电路。因此在本加速度计的狭窄空间中使用，它是最为合适的内嵌式温度传感器件。

DS18B20温度传感器的主要性能指标为：

*“一线”总线接口令需一个端口进行通讯。

*简单的多点分布应用。

*可通过数据线供电。

*测温范围为-55～ 125℃，在-10～ 85℃的范围内，精度为±0.5℃。

*温度以9～12位数字量读出，分辨率为0.0625℃。

*U型产品采用超小型的μSOP封装，大大减小了体积。

以下介绍DS18B20U的一些使用要点，更详细的信息可以参考MAXIM公司网站提供的DS18B20的Datasheet(英文版)。

1.1 DS18B20U的温度测量时间

DS18B20U作为温度传感器。

1.2 DS18B20U的“一线”总线标识序号

每一个DS18B20U都有一个唯一的64位的“一线”总线标识序号，存放在DS18B20U的内部ROM（只读存储器）中。开始8位是产品类型编码（DS18B20编码均为28H），接着的48位是每个器件的唯一序号，最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。

1.3 DS18B20U的温度数据表示格式

DS18B20U中有用于存储测得温度值的两个8位寄存器，它们存储的温度数据由两个字节组成，分别为LS Byte(低字节)和MS Byte(高字节)，MS Byte的高5位存放温度值的符号，如果温度为负（℃），则MS Byte的高5位全为1，否则全为0。LS Byte的8位和MS Byte的低3位用于存放温度值的补码，LSB(最低位)为0.0625℃。将寄存器中的二进制数求补，就得到了被测温度值（-55℃～ 125℃）。

1.4 DS18B20U的供电方式

DS18B20可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但由此带来的缺点是完成温度测量的时间较长；而采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。注意：采用超小型μSOP封装的DS18B20U不适合使用数据总线供电方式。

1.5 DS18B20U的多路同步测量

每一片DS18B20在其ROM中都存在唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。

如图1所示，当主机需要对众多在线DS18B20中的某一个进行操作时，首先发出匹配ROM命令（命令代号55h），紧接着主机提供64位序列号（包括该DS18B20的48位序列号），之后的操作就是针对该DS18B20的。但是DS18B20的命令中允许对所有在线节点进行统一操作，利用的是跳过ROM命令（命令代号CCh）。而所谓路过ROM命令即可：之后的操作是面对总线上所有DS18B20的。命令序列先跳过ROM，启动总线上所有DS18B20进行温度测量，然后通过匹配ROM再逐一地读回每个DS18B20的温度数据。这种方式使采集的温度数据具有很好的同步性，而且节省时间。

2 “一线”网关的硬件设计

为了收集DS18B20U器件采集的温度信息，需要控制挂接在“一线”总线网络上的DS18B20U芯片，所以需要研制“一线”网关。“一线”网关的主要功能就是面对试验人员，把“一线”总线上的DS18B20U的信息转换成异步串口232接口中的信息，这相当于两种类型网络之间的网关，因此叫做“一线”网关。“一线”网关由一个功能强大的8位单片机P89C668组合各种外围芯片构成，各模块之间的关系如图2所示。下面介绍其设计重点。

2.1

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