基于DSP的分布式溫度采集記錄儀的設計與實現

隨著現代信息技術的飛速發展，分布式溫度測量控制系統在工業、農業及人們的日常生活中扮演了一個越來越重要的角色。因此，對溫度采集控制系統的設計與研究就具有十分重要的意義。

系統總體設計方案

TMS320F2812是TI公司推出的150MHz高速處理能力的高精度定點數字信號控制器。本設計采用TMS320F2812作為數據處理與控制單元，以Maxim公司的單線數字溫度計DS28EA00為基礎，通過DSP控制溫度傳感器順序采集各個測量點的溫度，經處理送LED顯示并暫存到外擴RAM中，當滿足特定的要求時，將數據存儲到U盤或SD卡以便于以后分析處理。溫度采集記錄儀的硬件電路主要包含6個部分：DS28EA00溫度測量模塊、USB接口模塊、SD卡接口模塊、外擴RAM模塊、LED顯示模塊和TMS320F2812數字信號處理模塊，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

系統硬件設計

1 DS28EA00溫度測量模塊

① 溫度傳感器選型

實際環境復雜多變，通常要求溫度傳感器能夠與DSP可靠地通信，易與供電及布線，并能明確區分出溫度數據與溫度傳感器位置的對應關系，因此溫度傳感器的選型十分關鍵。傳統的模擬溫度傳感測量系統測量精度低、布線復雜、易受干擾，而新型單片數字式溫度傳感器測量精度高、抗干擾能力強，應用范圍越來越廣。

DS28EA00是業界首款具有鏈路功能的1-Wire數字溫度傳感器，具有9位(0.5℃)～12位(1/16℃)分辨率，且帶有可由用戶編程設置的非易失(NV)性溫度上、下限報警觸發點，報警搜索命令能夠快速確定溫度超出設定范圍的器件。每個DS28EA00都具有工廠預先刻度的唯一64位序列號，只需一根數據線和地線就可通過1-Wire協議完成串行傳輸數據，支持 15.3kb/s的標準通信速率和125kb/s(最大值)的高速通信速率。經改進的1-Wire接口具有滯回和干擾濾波特性功能，使得DS28EA00能夠在大的1-Wire網絡中可靠工作。并且，與其他1-Wire溫度計不同，DS28EA00具有兩個額外的引腳用以執行順序檢測功能。該特性允許用戶將器件在鏈路中的物理位置與序列號對應，如用來測量貯存塔不同高度處的溫度。DS28EA00的供電和數據通信都是借助這條1-Wire線完成的。

DS28EA00內部包括三個主要數據部分：(1)64位序列號，(2)64位暫存器，(3)報警和配置寄存器。所有1-Wire系統都有一個重要的基本特性：每個從機都有一個唯一、不能更改(ROM)的64位、工廠激光刻制序列號(ID)，這個序列號永遠不會與另一個器件重復。1-Wire ROM Function Control(1-Wire ROM功能控制)單元處理ROM功能命令，允許器件可以工作在一個多點網絡環境中。Device Function Control(器件功能控制)單元用于實現對器件的特定操作和控制，如實現讀/寫、溫度轉換、設置順序檢測的鏈路狀態。8bit CRC生成器在讀取溫度和寄存器數據時協助主機檢驗數據完整性。DSP通過GPIO口與DS28EA00的1-Wire(1線接口)總線接口相連進行通信，如圖2所示。

圖2 測溫模塊原理圖

② DS28EA00的序列檢測硬件電路連接

DS28EA00的鏈路功能允許1-Wire主機檢索以線性網絡(“鏈”)方式連接的器件，找出其物理順序，這對于那些沿長電纜等間距安裝的器件是非常方便的。鏈路功能需要兩個引腳，輸入引腳(EN)使器件在檢測過程中能對檢測做出響應，而輸出引腳(DONE)用于通知鏈路中的下一個器件其相鄰器件的檢測已完成。

DS28EA00的兩個通用端口被復用以實現鏈路功能。PIOB被復用為EN輸入，PIOA產生DONE信號并與下一個器件的EN輸入相連，鏈路中第一個器件的EN輸入需連接至GND，序列檢測時的連接(由DSP充當1線主機)如圖3所示。

2 USB接口模塊

本系統采用Cypress公司生產的嵌入式USB接口芯片SL811HST，內含USB主/從控制器，支持全速(full-speed)/低速(low-speed)數據傳輸，并能自動識別低速或者全速設備，SL811HST所提供的接口可與微控制器、DSP相連。此外，SL811HST內部有一個256字節的RAM，可用做控制寄存器或數據緩沖器。本系統中USB設備映射TMS320F2812外擴0區域，USB接口模塊硬件電路圖如圖4所示。

圖4 USB接口模塊硬件電路圖

3 SD卡接口模塊

目前市場上已出現了容量高達GB容量的SD卡，可以通過SPI口或并行(SD)接口與主機通信，另外還提供額外的引腳用來檢測卡的存在以及是否寫保護。在SPI總線模式下，CS為主控制器向卡發送的片選信號，SCLK為主控制器向卡發送的時鐘信號，DI(Data In)為主控制器向卡發送的單向數據信號，DO(Data Out)為卡向主控制器發送的單向數據信號。若想更高速的通信則選擇SD模式通信，可以采用GPIO接口滿足特定的SD規范。

系統軟件設計

系統軟件設計是本文的重點，主要包括三部分內容：DSP與DS28EA00的通信、DSP與SD卡的通信，DSP與USB設備的通信。

1 DSP與DS28EA00的通信

DS28EA00需要嚴格的通信協議確保數據的完整性，該協議在一根線上定義了四種類型的信號：由復位脈沖和在線應答脈沖組成的復位序列、寫0、寫1、讀數據。DS28EA00能以標準速率或高速兩種不同的速率進行通信，且所有波形均采用快速定時。DSP通過1-Wire端口訪問DS28EA00的操作流程如下。

● DS28EA00初始化

1-Wire 總線上的所有操作均從初始化開始，初始化過程由DSP發送的復位脈沖和從器件發送的在線應答脈沖組成，在線應答脈沖用于通知DSP DS28EA00已掛接在總線上并已準備就緒。

● ROM功能命令

一旦DSP檢測到在線應答脈沖，就可以發出DS28EA00支持的8條ROM功能命令中的一條，所有ROM功能命令的長度均為8位。