DS2438及其在單總線微網(wǎng)中的應用
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摘要：介紹內(nèi)部集成多種功能部件的單總線器件DS2438，利用該器件內(nèi)部豐富的硬件資源，可構(gòu)成具有環(huán)境溫度及單總線供電電壓補償功能的單總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；介紹器件性能特點、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，并給出該器件在單總線微網(wǎng)中的具體應用實例。
關鍵詞：單總線微網(wǎng) 測控系統(tǒng) 單片機 傳感器
1 概述
在數(shù)字化測控系統(tǒng)中，由于單總線微網(wǎng)僅使用1根導線進行雙向數(shù)據(jù)傳送，并同時為遠端器件提供電源，既降低了測控系統(tǒng)的硬件成本，又提高了系統(tǒng)的可靠性，因而是有著廣泛應用前景的現(xiàn)場總線技術。但是，由于單總線微網(wǎng)一方面要傳送數(shù)據(jù)，另一方面還要向單總線器件提供電源，這必然造成單總線上供電電源電壓的波動；而測控系統(tǒng)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，因此，為了保證傳證傳感器的測量精度，就必須進行相應的電壓校正。另外，傳感器的輸出值往往還受環(huán)境溫度的影響，也必須進行相應的溫度補償。
上述問題如果采用基于單總線的普通A/D轉(zhuǎn)換器件予以解決，會使相應的硬件電路及軟件編程過于復雜。這里利用Dallas公司的單總線器件DS2438，巧妙地解決了上述問題。下面首先介紹該器件，并重點介紹該器件與測控系統(tǒng)相關的功能。
DS2438是Dallas公司推出的智能電池監(jiān)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)的實時監(jiān)測而推出的，主要性能特點如下：
①單總線器件，僅需1根口線實現(xiàn)電源及雙向數(shù)據(jù)傳輸；
②片內(nèi)13位精度溫度傳感器，最小分辨率0.031 25℃；
③片內(nèi)10位二通道電壓A/D轉(zhuǎn)換器，最小分辨率為10mV；
④片內(nèi)10位電流A/D轉(zhuǎn)換器；
⑤片內(nèi)40字節(jié)非易失性用戶存儲器；
⑥片內(nèi)逝去時間計數(shù)器，完成充放電時間計時；
⑦單電源工作，低功耗特性；
⑧工作溫度范圍為-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，引腳功能說明見表1。
表1 DS2438引腳功能說明
| 引腳號 | 引腳名稱 |
說 明 |
| 1 | GND | 接地 |
| 2 | VSENS+ | 電源電流監(jiān)視輸入（+） |
| 3 | VSENS- | 電池電流監(jiān)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(shù)據(jù)輸入/輸出、1線操作、開漏 |
2 工作原理
DS2438的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
由圖2可知，DS2438由單總線接口、電壓A/D轉(zhuǎn)換器、電流A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、時鐘電路、40字節(jié)的E2PROM及與上述硬件相關的寄存器組成。其中的電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，可編程為由VDD電源端輸入或VAD輸入端輸入，以滿足VDD電源端及外部輸入模擬量VAD的測量要求。{{分頁}}
2.1 器件存儲單元
DS2438存儲器類型包括易失性的SRAM和非易失性的E2PROM。DS2438內(nèi)部的存儲器為一個總?cè)萘?4字節(jié)的存儲器。存儲器被分為8頁，每頁8字節(jié)，頁地址為00～07H。其中第00頁是訪問頻率最高的頁，該頁的結(jié)構(gòu)如表2所列。
表2 DS2438存儲器第00頁結(jié)構(gòu)
| 字節(jié)序號 | 名 稱 | 內(nèi) 容 | 讀/寫特性 | 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 | 易失 |
第1頁為電流累加器、逝去時間計數(shù)器和電流補償單元；每2頁包括非易失性時間和充電時間標記；第3～7頁是40字節(jié)的提供給用戶使用的E2PROM，可用于保存用戶數(shù)據(jù)。
2.2 寄存器
DS2438所有的寄存器都映射到上述的存儲器中，同時對DS2438的操作都是通過寄存器進行的。
（1）狀態(tài)寄存器
狀態(tài)寄存器位于存儲器00頁的第0字節(jié)，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(shù)據(jù)且可從第7頁恢復數(shù)據(jù)；CA=0，禁用CCA/DCA，第7頁可用于普通E2PROM存儲。
*EE為隱蔽電流累加器位。EE=1，將CCA/DCA計數(shù)器數(shù)據(jù)隱蔽到E2PROM，電量每增加0.32C，當前計數(shù)器加1；EE=0，CCA/DCA計數(shù)器數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換忙標志位。TB=1，溫度轉(zhuǎn)換正在進行；TB=0，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束。
*NVB為非易失存儲忙標志位。NVB=1，在從可擦除區(qū)復制到E2PROM的存儲過程中；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(zhuǎn)換標志位，ADB=1，電壓A/D轉(zhuǎn)換正在進行；ADB=0，轉(zhuǎn)換結(jié)束或無測量。一次A/D轉(zhuǎn)換占用約10ms。
*X為不定位。
（2）溫度寄存器
DS2438可在-55～+125℃范圍內(nèi)以0.031 25℃的分辨率測量溫度值，溫度值為2的碼形式通過2字節(jié)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，可通過狀態(tài)/結(jié)構(gòu)寄存器的AD位來選擇由VDD輸入或由VAD輸入。電壓A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果放在2字節(jié)電壓寄存器中，單位為mV。
（4）電流寄存器
DS2438通過測量電流取樣電阻RSENS兩端的電壓來間接測量流過電池的電流。采用10位ADC，其分辨率為0.005C，電流測量值的結(jié)果放在2字節(jié)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 單總線協(xié)議
DS2438是Dallas公司基于單總線的器件。該器件的操作完全遵循單總線協(xié)議，其ROM命令有4個。
①讀ROM[33H]；
②匹配ROM[55H]；
③跳過ROM[F0H]。
主機在操作DS2348之前，必須先發(fā)送上述4個ROM命令中的一個。在DS2438成功執(zhí)行上述命令之后，主機可使用下面的內(nèi)存命令操作DS2438。
由于DS2438的內(nèi)存分為7頁，故其內(nèi)存操作命令和其它的單總線器件略有不同。DS2438的內(nèi)存操作命令如下：
①寫高速暫存存儲器[4EHXXH]；
②讀高速暫存存儲器[BEHXXH];
③讀制高速暫存存儲器[48HXX]；
④恢復存儲器[B8HXXH];
⑤溫度轉(zhuǎn)換命令[44H]；
⑥電壓轉(zhuǎn)換命令[B4H]。
上述內(nèi)存命令中的XXH為高速暫存存儲器的頁地址，有效的頁碼地址為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地址送出去。DS2438允許1次讀/寫1頁內(nèi)的全部8個字節(jié)，且讀寫字節(jié)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(zhuǎn)換命令及電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換；同時，若采用寄生電源供電，應將總線拉高，以保證充足的能量供應。
3 DS2438在單總線微網(wǎng)中的應用
下面給出將DS2438應用于單總線微網(wǎng)的具體實例：單總線溫度傳感器設計。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，且在線性度、重復性、一致性等方面不盡如意。如果能夠利用現(xiàn)有的模擬濕度傳感器，設計出基于單總線的數(shù)字式濕度傳感器，則可配合單總線微網(wǎng)技術構(gòu)成全數(shù)字化的多點溫濕度測量系統(tǒng)，如數(shù)字化糧情檢測、數(shù)字化倉儲檢測系統(tǒng)等。即可降低系統(tǒng)布線費用，又可提高系統(tǒng)性能，因而具有非常不定期實的意義。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協(xié)議的濕度傳感器（電路參見圖4）。{{分頁}}
3.1 濕度傳感器
由于單總線微網(wǎng)采用寄存電源的方式向單總線器件供電，因此，要求掛接在單總線微網(wǎng)上的器件必須滿足低功耗的要求。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，同時在內(nèi)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(zhuǎn)換成線性的電壓輸出。同時該傳感器還具精度高、響應快速、高穩(wěn)定性、低溫漂、抗化學腐蝕性能強及互換性好等優(yōu)點，其性能指標如表3所列，輸出電壓與相對濕度的關系曲線如圖3所示。
表3 HIH-3610濕度傳感器性能指標
| 參 數(shù) | 指 標 |
| RH精度 |
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