一線式數(shù)字溫度計DS1822的原理及應用

關鍵詞：測溫；一線芯片；DS1822

一線總線芯片是美國Ｄａｌｌａｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司推出的系列產(chǎn)品。這是一種用一根信號線與一根返回線來實現(xiàn)互連通信的集成電路芯片。采用這種芯片構成的微型局域網(wǎng)系統(tǒng)具有建網(wǎng)速度快、成本低的特點，非常適合現(xiàn)場應用。一線數(shù)字溫度計（１－Ｗｉｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ）芯片ＤＳ１８２２就是Ｄａｌｌａｓ公司推出的系列一線總線產(chǎn)品之一，它支持Ｄａｌｌａｓ觸摸接口，遵循一線協(xié)議，并可以與處理器進行雙向數(shù)字通信，同時性價比也很高，是一種使用起來非常方便的經(jīng)濟型溫度傳感器。

１　引腳功能及內(nèi)部結(jié)構

ＤＳ１８２２的外形封裝如圖１所示。

其中(ａ)是采用３引腳ＴＯ－９２的封裝形式；(ｂ)是采用８引腳ＳＯＩＣ的封裝形式；(ｃ)是采用６引腳ＴＳＯＣ的封裝形式；ＧＮＤ為電源地；ＶＤＤ為外接供電電源輸入端(采用寄生電源方式時接地)；ＤＱ為數(shù)字信號輸入／輸出端；ＮＣ為空腳。

ＤＳ１８２２內(nèi)部電路的核心是一個直接數(shù)字輸出的溫度傳感器。它可將－５５～１２５℃ 范圍內(nèi)的溫度值按９位、１０位、１１位、１２位的分辨率進行量化，且以上的分辨率都包括一個符號位，因此對應的溫度量化值分別是０．５℃、０．２５℃、０．１２５℃、０．０６２５℃，即最高分辨率為０．０６２５℃，工作電壓范圍為３．０～５．５Ｖ。每一片ＤＳ１８２２都有一個唯一的且不可改寫的ＲＯＭ ＩＤ標識碼（電子序列號），在實際應用中可以通過指令方便地進行查詢。

ＤＳ１８２２的內(nèi)部結(jié)構如圖２所示。

２ DS1822的基本操作指令

ＤＳ１８２０的操作指令分為ＲＯＭ操作指令和存儲器操作指令。

２．１ ＲＯＭ操作指令及其功能說明

Ｒｅａｄ ＲＯＭ指令（代碼為３３ｈ）：如果總線上只有一片ＤＳ１８２２，則允許總線主機讀?。模樱保福玻驳男蛄刑?，若在線ＤＳ１８２２多于一個時，它們將同時發(fā)送ＩＤ，這樣就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突。

Ｍａｔｃｈ ＲＯＭ指令（代碼為５５ｈ）：多個ＤＳ１８２２在線時，主機可用此命令匹配一個給定序列號的ＤＳ１８２２，此后的命令就針對該ＤＳ１８２２。該命令適用于單節(jié)點和多節(jié)點兩種場合。

Ｓｋｉｐ ＲＯＭ指令（代碼為ＣＣｈ）：該命令用在單節(jié)點總線系統(tǒng)中可以節(jié)省時間，這時主機不需發(fā)送６４位ＲＯＭ ＩＤ就能直接訪問芯片的ＲＡＭ存儲器。

Ｓｅａｒｃｈ ＲＯＭ指令（代碼為Ｆ０ｈ）：用以讀取在線的ＤＳ１８２２的序列號。

Ａｌａｒｍ Ｓｅａｒｃｈ指令（代碼為ＥＣｈ）：當檢測到溫度超出所規(guī)定的門限值時，此命令可以讀出報警的ＤＳ１８２２。

２．２ 存儲器操作指令及其功能說明

Ｗｒｉｔｅ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令（代碼為４Ｅｈ）：將溫度報警上限值與下限值分別寫入ＤＳ１８２２便箋式存儲器的ＴＨ與ＴＬ字節(jié)中。

Ｒｅａｄ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令（代碼為ＢＥｈ）：讀取便箋式寄存器中的溫度值。

Ｃｏｐｙ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令（代碼為４８ｈ）：將便箋式存儲器ＴＨ／ＴＬ中的內(nèi)容復制到ＳＲＡＭ中，保證溫度值不丟失。

Ｃｏｎｖｅｒｔ Ｔ指令（代碼為４４ｈ）：啟動在線ＤＳ１８２２做溫度Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。

Ｒｅｃａｌｌ ＳＲＡＭ指令（代碼為Ｂ８ｈ）：利用該指令可以將存儲在ＳＲＡＭ中的溫度報警觸發(fā)值回讀到便箋式存儲器中。上電時ＤＳ１８２２會自動執(zhí)行一次回讀操作，以保證器件上電后便箋式存儲器中的數(shù)據(jù)是有效的。

Ｒｅａｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ指令（代碼為Ｂ４ｈ）：如果主機在發(fā)出該命令后再輸出讀時隙，那么，器件就會送出它所使用的電源信息：其中“０”為寄生電源；“１”為外部電源。

３　DS1822的測溫原理

用ＤＳ１８２２一線式數(shù)字溫度芯片測量溫度的原理如圖３所示。它沒有采用傳統(tǒng)的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換原理，如逐次逼近法、雙積分式和算術Ａ／Ｄ等，而是運用了一種將溫度直接轉(zhuǎn)換為頻率的時鐘計數(shù)法，計數(shù)時鐘由溫度系數(shù)很低的振蕩器產(chǎn)生，因而非常穩(wěn)定；而計數(shù)的閘門周期則由溫度系數(shù)很高（即對溫度非常敏感）的振蕩器來決定。

計數(shù)器中的預置值以－５５℃時的計數(shù)值為基準，在閘門開放計數(shù)期間，每當計數(shù)值達到０，則溫度寄存器就加１，溫度寄存器中的預置值也以－５５℃的測量值為基準。同時計數(shù)器的預置值還與斜坡累加器電路有關，該電路用于補償振蕩器對溫度的拋物線特性，因此還要用時鐘脈沖針對這個非線形校正預置值作計數(shù)操作，直至計數(shù)值達到０為止，如果此時閘門還未關閉，則再重復計數(shù)過程。斜坡累加器補償了振蕩器對溫度的非線形特性，從而可以獲得較高的溫度測量分辨率，改變相對于測溫量化級的計數(shù)量大小即可獲得不同的分辨率。

４ DS1822一線總線的接口電路

ＤＳ１８２２的總線接口電路如圖４所示，其中圖（ａ）為使用寄生電源的接法，即通過總線給ＤＳ１８２２供電，圖（ｂ）為采用外接電源的接法。

從兩種接法來看，ＤＳ１８２２測量溫度時無需外接元件，電路簡單。ＤＳ１８２２的工作電流為１．５ｍＡ。應當注意：當溫度高于１００℃時，不能使用寄生電源，因為此時器件中較大的漏電流會使總線不能可靠檢測高低電平，從而導致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率的增大。

５ DS1822的測溫過程

在測溫時對ＤＳ１８２２進行操作的步驟如下：

⑴ 初始化（Ｒｅａｄ ＲＯＭ指令，代碼３３ｈ），每次對ＤＳ１８２０進行操作之前都要對其進行初始化，主要目的在于確定溫度傳感器是否已經(jīng)連接到單總線上。

(２) 查找ＤＳ１８２２（Ｓｅａｒｃｈ ＲＯＭ指令，代碼Ｆ０ｈ），該指令可使處理器通過排除法來辨別總線上的ＤＳ１８２２。

(３)匹配ＤＳ１８２２（Ｍａｔｃｈ ＲＯＭ指令，代碼５５ｈ），只有完全符合６４位ＲＯＭ序列的ＤＳ１８２２才能響應其后的指令，當然，單點測溫時可以使用Ｓｋｉｐ ＲＯＭ（ＣＣｈ）指令來跳過這一步。

(４)發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令（Ｃｏｎｖｅｒｔ Ｔ指令 代碼４４ｈ），發(fā)送該指令后應查詢總線上的電平，當電平為高時，溫度轉(zhuǎn)換完成。

(５)讀取溫度值（Ｒｅａｄ Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ指令 代碼ＢＥｈ），將該指令發(fā)出后，就可從總線上讀取表示溫度的兩字節(jié)的二進制數(shù)。

整個測溫過程中的第４、５步才是ＤＳ１８２２進行測溫并將結(jié)果進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換和輸出的過程。ＤＳ１８２２接收到轉(zhuǎn)換命令（４４ｈ）將立刻實施溫度轉(zhuǎn)換并將結(jié)果存儲到１６位便箋式存儲器中，數(shù)據(jù)格式為符號位擴展的二進制補碼，然后用讀便箋式存儲器命令（ＢＥｈ）將所得數(shù)據(jù)順序置于總線上，最低位在前，最高位定義為符號位以表示溫度的正負。ＤＳ１８２２溫度與數(shù)字輸出典型值的對照表如表１所列。

表1 DS1822溫度與數(shù)字輸出的典型值

６ DS1822的報警操作

ＤＳ１８２２完成溫度轉(zhuǎn)換之后，其溫度值將和ＴＨ與ＴＬ中存儲的觸發(fā)門限值相比較，由于這兩個閾值只有８位，因此比較時測量值中相應的幾個低位將被忽略，ＴＨ和ＴＬ中的最高位直接對應１６位溫度存儲器中的符號位。如果比較的結(jié)果表明測量值高于ＴＨ中設定的上限溫度值或低于ＴＬ中設定的下限溫度值，則設置報警標志，該標志每次測量溫度時都要進行更新。一旦報警標志設置后，器件就會響應主機發(fā)出的報警搜索命令，這種處理方式使得并接的多個ＤＳ１８２２可以同時實現(xiàn)溫度測量。如果某些點上的溫度超過設定的閾值，則這些報警的器件就能被及時識別出來，主機不必一個一個地讀取，比較判斷哪些是越界報警的器件。

７ DS1822中的存儲器

ＤＳ１８２２的存儲器結(jié)構如表２所列。它由９個字節(jié)的便箋式存儲器和３個易失性ＳＲＡＭ組成，便箋式存儲器方便了一線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。通常情況下，首先用寫便箋式存儲器命令（４Ｅｈ）寫入數(shù)據(jù)，然后用讀便箋式存儲器命令（ＢＥｈ）進行校驗，最后通過復制便箋式存儲器命令（４８ｈ）將該數(shù)據(jù)寫入ＳＲＡＭ。

表2 DS1822D的存儲器結(jié)構

表3 有關轉(zhuǎn)換參數(shù)設置對應表

便箋式存儲器由９個字節(jié)組成，第０、１字節(jié)存放溫度測量值；第２、３字節(jié)用于高、低門限設置；第４字節(jié)是配置存儲器；第５、６、７字節(jié)保留而未使用，讀取時各位均為１；第８字節(jié)可通過讀便箋式存儲器命令讀出，用于存放前８個字節(jié)的ＣＲＣ校驗值。易失性ＳＲＡＭ主要用于復制，每次上電時它們都會被刷新。

而便箋式存儲器第４字節(jié)的配置存儲器主要用于設置溫度的測量分辨率，該字節(jié)的數(shù)據(jù)格式如圖５所示。其中ｂｉｔ７讀時總為０，ｂｉｔ４～ｂｉｔ０讀時總為１，寫入時這些位的取值可以是任意的。由圖５可知該配置寄存器實際上只用了ｂｉｔ６與ｂｉｔ５兩位，用以定義分辨率和轉(zhuǎn)換時間，其對應關系如表３所列，上電時的默認分辨率為１２位，但轉(zhuǎn)換速率最低。由該表還可以看出，當分辨率提高１位時，轉(zhuǎn)換速率成倍下降，這在實際應用中是需要考慮的，必須根據(jù)實際需要來權衡分辨率與速率之間的關系。

８ DS1822的應用電路

由ＤＳ１８２２與ＤＺＴ－５１２單總線溫度巡檢儀組成的測溫電路如圖６所示，通過ＤＺＴ－５１２單總線溫度巡檢儀就可對單總線上所有的ＤＳ１８２２進行數(shù)據(jù)采集、并完成顯示及報警設定，讀寫數(shù)據(jù)距離達６００米，ＤＳ１８２２經(jīng)ＲＳ２３２口與ＤＺＴ－５１２相連，將溫度數(shù)據(jù)送入計算機進行分析處理。從圖中可看出，由ＤＳ１８２２組成的測溫系統(tǒng)具有布線結(jié)構簡單、可靠性高、成本低的特點。

９ 結(jié)束語

單總線技術以其線路簡單、硬件開銷小、成本低廉、軟件設計簡單等優(yōu)勢有著無可比擬的應用前景?；趩慰偩€技術的ＤＳ１８２２在未來的測溫領域中必將得到廣泛的應用。