隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，分布式溫度測(cè)量控制系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人們的日常生活中扮演了一個(gè)越來(lái)越重要的角色。因此，對(duì)溫度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究就具有十分重要的意義。

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　TMS320F2812是TI公司推出的150MHz高速處理能力的高定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器。本設(shè)計(jì)采用TMS320F2812作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，以Maxim公司的單線數(shù)字溫度計(jì)DS28EA00為基礎(chǔ)，溫度采集記錄儀的硬件電路主要包含6個(gè)部分：DS28EA00溫度測(cè)量模塊、USB接口模塊、SD卡接口模塊、外擴(kuò)RAM模塊、LED顯示模塊和TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1 DS28EA00溫度測(cè)量模塊

　?、?溫度傳感器選型

　　DS28EA00是業(yè)界首款具有鏈路功能的1-Wire數(shù)字溫度傳感器，具有9位（0.5℃）～12位（1/16℃）分辨率，且?guī)в锌捎捎脩?hù)編程設(shè)置的非易失（NV）性溫度上、下限報(bào)警觸發(fā)點(diǎn)，報(bào)警搜索命令能夠快速確定溫度超出設(shè)定范圍的器件。每個(gè)DS28EA00都具有工廠預(yù)先刻度的64位序列號(hào)，只需一根數(shù)據(jù)線和地線就可通過(guò)1-Wire協(xié)議完成串行傳輸數(shù)據(jù)，支持15.3kb/s的標(biāo)準(zhǔn)通信速率和125kb/s（值）的高速通信速率。與其他1-Wire溫度計(jì)不同，DS28EA00具有兩個(gè)額外的引腳用以執(zhí)行順序檢測(cè)功能。該特性允許用戶(hù)將器件在鏈路中的物理位置與序列號(hào)對(duì)應(yīng)，如用來(lái)測(cè)量貯存塔不同高度處的溫度。DS28EA00的供電和數(shù)據(jù)通信都是借助這條1-Wire線完成的。

　　DS28EA00內(nèi)部包括三個(gè)主要數(shù)據(jù)部分：（1）64位序列號(hào)，（2）64位暫存器，（3）報(bào)警和配置寄存器。所有1-Wire系統(tǒng)都有一個(gè)重要的基本特性：每個(gè)從機(jī)都有一個(gè)、不能更改（ROM）的64位、工廠激光刻制序列號(hào)（ID），這個(gè)序列號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)與另一個(gè)器件重復(fù)。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(gè)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。Device Function Control（器件功能控制）單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的特定操作和控制，如實(shí)現(xiàn)讀/寫(xiě)、溫度轉(zhuǎn)換、設(shè)置順序檢測(cè)的鏈路狀態(tài)。8bit CRC生成器在讀取溫度和寄存器數(shù)據(jù)時(shí)協(xié)助主機(jī)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性。DSP通過(guò)GPIO口與DS28EA00的1-Wire（1線接口）總線接口相連進(jìn)行通信，如圖2所示。

　　圖2 測(cè)溫模塊原理圖

　　② DS28EA00的序列檢測(cè)硬件電路連接

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

　　DS28EA00的兩個(gè)通用端口被復(fù)用以實(shí)現(xiàn)鏈路功能。PIOB被復(fù)用為EN輸入，PIOA產(chǎn)生DONE信號(hào)并與下一個(gè)器件的EN輸入相連，鏈路中個(gè)器件的EN輸入需連接至GND，序列檢測(cè)時(shí)的連接（由DSP充當(dāng)1線主機(jī)）如圖3所示。

　　圖3  DS28EA00序列檢測(cè)硬件電路連接（鏈路功能）

　　2 USB接口模塊。

　　通用串行總線（英文：Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱(chēng)USB）是連接外部裝置的一個(gè)串口匯流排標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)上使用廣泛，但也可以用在機(jī)頂盒和游戲機(jī)上，補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)On-The-Go（ OTG）使其能夠用于在便攜裝置之間直接交換資料。

　　USB是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB接口可用于連接多達(dá)127種外設(shè)，如鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器和鍵盤(pán)等。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的，自1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成為當(dāng)今個(gè)人電腦和大量智能設(shè)備的必配的接口之一。從1994年11月11日發(fā)表了USB V0.7版本以后，USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為3.0版本。

　　（一）計(jì)算機(jī)與電話(huà)之間的連接：顯然用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)通信將是下一代計(jì)算機(jī)基本的應(yīng)用。機(jī)器和人們的數(shù)據(jù)交互流動(dòng)需要一個(gè)廣泛而又便宜的連通網(wǎng)絡(luò)。然而，由于目前產(chǎn)業(yè)間的相互獨(dú)立發(fā)展，尚未建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而USB則可以廣泛的連接計(jì)算機(jī)和電話(huà)。

　?。ǘ┮子眯裕罕娝苤?，PC機(jī)的改裝是極不靈活的。對(duì)用戶(hù)友好的圖形化接口和一些軟硬件機(jī)制的結(jié)合，加上新一代總線結(jié)構(gòu)使得計(jì)算機(jī)的沖突大量減少，且易于改裝。但以終端用戶(hù)的眼光來(lái)看，PC機(jī)的輸入/輸出，如串行/并行端口、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、操縱桿接口等，均還沒(méi)有達(dá)到即插即用的特性，USB正是在這種情況下問(wèn)世的。  通用串行總線

　　（三）端口擴(kuò)充：外圍設(shè)備的添加總是被相當(dāng)有限的端口數(shù)目限制著。缺少一個(gè)雙向、價(jià)廉、與外設(shè)連接的中低速的總線，限制了外圍設(shè)備（諸如電話(huà)/電傳/調(diào)制解調(diào)器的適配器、掃描儀、鍵盤(pán)、PDA）的開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)有的連接只可對(duì)極少設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于PC機(jī)的新的功能部件的添加需定義一個(gè)新的接口來(lái)滿(mǎn)足上述需要，USB就應(yīng)運(yùn)而生。它是快速、雙向、同步、動(dòng)態(tài)連接且價(jià)格低廉的串行接口，可以滿(mǎn)足PC機(jī)發(fā)展的現(xiàn)在和未來(lái)的需要。

　　本系統(tǒng)采用Cypress公司生產(chǎn)的嵌入式USB接口芯片SL811HST，內(nèi)含USB主/從控制器，支持全速（full-speed）/低速（low-speed）數(shù)據(jù)傳輸，并能自動(dòng)識(shí)別低速或者全速設(shè)備，SL811HST所提供的接口可與微控制器、DSP相連。此外，SL811HST內(nèi)部有一個(gè)256字節(jié)的RAM，可用做控制寄存器或數(shù)據(jù)緩沖器。本系統(tǒng)中USB設(shè)備映射TMS320F2812外擴(kuò)0區(qū)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(chǎng)上已出現(xiàn)了容量高達(dá)GB容量的SD卡，可以通過(guò)SPI口或并行（SD）接口與主機(jī)通信，另外還提供額外的引腳用來(lái)檢測(cè)卡的存在以及是否寫(xiě)保護(hù)。在SPI總線模式下，CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號(hào)，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)，DI（Data In）為主控制器向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)，DO（Data Out）為卡向主控制器發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)。若想更高速的通信則選擇SD模式通信，可以采用GPIO接口滿(mǎn)足特定的SD規(guī)范。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)，主要包括三部分內(nèi)容：DSP與DS28EA00的通信、DSP與SD卡的通信，DSP與USB設(shè)備的通信。

　　1 DSP與DS28EA00的通信

　　DS28EA00需要嚴(yán)格的通信協(xié)議確保數(shù)據(jù)的完整性，該協(xié)議在一根線上定義了四種類(lèi)型的信號(hào)：由復(fù)位脈沖和在線應(yīng)答脈沖組成的復(fù)位序列、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀數(shù)據(jù)。DS28EA00能以標(biāo)準(zhǔn)速率或高速兩種不同的速率進(jìn)行通信，且所有波形均采用快速定時(shí)。DSP通過(guò)1-Wire端口訪問(wèn)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(kāi)始，初始化過(guò)程由DSP發(fā)送的復(fù)位脈沖和從器件發(fā)送的在線應(yīng)答脈沖組成，在線應(yīng)答脈沖用于通知DSP DS28EA00已掛接在總線上并已準(zhǔn)備就緒。

　　ROM功能命令

　　一旦DSP檢測(cè)到在線應(yīng)答脈沖，就可以發(fā)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(zhǎng)度均為8位。

　　控制功能命令

　　控制功能命令用于實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量、訪問(wèn)寄存器和PIO、改變鏈路狀態(tài)所需的協(xié)議。DSP與DS28EA00之間的通信可采用標(biāo)準(zhǔn)速率（默認(rèn)狀態(tài)，OD=0），也可用高速模式（OD=1）。上電后，如果沒(méi)有明確設(shè)置為高速模式，DS28EA00則以標(biāo)準(zhǔn)速率進(jìn)行通信。

　　數(shù)據(jù)的收發(fā)

　　DS28EA00的數(shù)據(jù)通信是在一個(gè)個(gè)時(shí)隙中進(jìn)行的，每個(gè)時(shí)隙只能傳送1bit數(shù)據(jù)。通過(guò)寫(xiě)時(shí)隙將數(shù)據(jù)從DSP傳輸至DS28EA00，而通過(guò)讀時(shí)隙則將數(shù)據(jù)由DS28EA00傳輸至DSP。當(dāng)1-Wire總線上的電壓跌落至低于門(mén)限電壓時(shí)，DS28EA00利用其內(nèi)部時(shí)隙發(fā)生器，確定在寫(xiě)時(shí)隙期間何時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣以及在讀時(shí)隙時(shí)數(shù)據(jù)有效時(shí)間的長(zhǎng)短。

　　2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)流在加工過(guò)程中產(chǎn)生的臨時(shí)文件或加工過(guò)程中需要查找的信息。數(shù)據(jù)以某種格式記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)部或外部存儲(chǔ)介質(zhì)上。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要命名，這種命名要反映信息特征的組成含義。數(shù)據(jù)流反映了系統(tǒng)中流動(dòng)的數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的特征；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)反映系統(tǒng)中靜止的數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出靜態(tài)數(shù)據(jù)的特征。

　　常用的存儲(chǔ)介質(zhì)為磁盤(pán)和磁帶。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組織方式因存儲(chǔ)介質(zhì)而異。在磁帶上數(shù)據(jù)僅按順序文件方式存??；在磁盤(pán)上則可按使用要求采用順序存取或直接存取方式。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式與數(shù)據(jù)文件組織密切相關(guān)，其關(guān)鍵在于建立記錄的邏輯與物理順序間對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定存儲(chǔ)地址，以提高數(shù)據(jù)存取速度。

　?、?U盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備操作的工作主要是在軟件方面，因此本文主要從軟件方面來(lái)說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程。USB軟件設(shè)計(jì)主要由通用的USB總線枚舉部分和USB Mass Storage類(lèi)協(xié)議軟件設(shè)計(jì)和文件系統(tǒng)組成，U盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖如圖5所示。

　　圖5 U盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

　　U盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的部分代碼如下：

　?。?）unsigned char EnumUsbDev（BYTE usbaddr）  //枚舉USB設(shè)備

　　{USB_Reset（）；                 //USB設(shè)備復(fù)位

　　if （！GetDescription（））       // 獲取設(shè)備描述符并獲得傳輸包的字節(jié)數(shù)

　　return FALSE;

　　if （！SetAddress（usbaddr））

　　// 設(shè)置USB設(shè)備的地址

　　return FALSE;

　　if （！GetDescription （））

　　// 重新獲取設(shè)備描述符

　　return FALSE;

　　if（uDev.bClass==8）

　　//是否是大容量存儲(chǔ)設(shè)備

　　bFlags.bits.bMassDevice=TRUE;}

　　（2）unsigned char EnumerateMassDevice（void）

　　//枚舉大容量存儲(chǔ)設(shè)備

　　{DeviceInformation.BPB_BytesPerSec=512;

　　//暫假設(shè)每個(gè)扇區(qū)為512字節(jié)

　　if（！RBC_Read（DeviceInfomation.StartSector，0，DBUF）） //讀取U盤(pán)DBR區(qū)了解U盤(pán)的基本信息

　　return FALSE;

　　DeviceInfo.BPB_BytesPerSector=LSwapINT16（DBUF[10]，DBUF[11]）； //讀取U盤(pán)每扇區(qū)字節(jié)數(shù)

　　DeviceInfo.BPB_SecPerCluters=DBUF[12];       //讀取U盤(pán)每簇扇區(qū)數(shù)

　　ReservedSectorsNumbers=LSwapINT16（DBUF[13]，DBUF[14]）；      //讀取U盤(pán)保留扇區(qū)數(shù)

　　DeviceInfomation.BPB_NumFATs=DBUF[15];}                   //讀取U盤(pán)FAT表的份數(shù)

　?、?SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：SD卡的上電初始化過(guò)程和對(duì)SD卡的讀寫(xiě)操作，其工作步驟如下。

　　配置TMS320F2812的SPI接口，然后檢測(cè)是否有SD卡插入。為調(diào)試方便將SD卡接口的Vss2引腳接地。

　　當(dāng)檢測(cè)到SD卡的存在后系統(tǒng)連續(xù)發(fā)送10次0xFF00使SD卡的DATA IN引腳保持至少74個(gè)時(shí)鐘周期以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電初始化。

　　SD卡初始化，注意此時(shí)SPI接口的通信速度應(yīng)在100kHz到400kHz左右，以滿(mǎn)足SD卡通信協(xié)議的要求。

　　系統(tǒng)與SD卡通信。此時(shí)可以提高SPI接口的通信速率。

　　SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖如圖6所示。

　　圖6 軟件系統(tǒng)流程圖

　　3文件系統(tǒng)

　　為了便于對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，需要設(shè)計(jì)一個(gè)兼容FAT16、FAT32文件格式的文件管理系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤(pán)或者SD卡。

　　文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分為五 部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、DIR區(qū)和DATA區(qū)，由于U盤(pán)或者SD卡不要求啟動(dòng)，因此可以沒(méi)有MBR區(qū)，只包含DBR、FAT、DIR和DATA四個(gè)區(qū)。

　　系統(tǒng)分析

　　1 性能指標(biāo)

　　經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試后得出：系統(tǒng)能穩(wěn)定的采集溫度數(shù)據(jù)并快速的存儲(chǔ)至U盤(pán)和SD卡，具體性能指標(biāo)如下。

　　DSP與DS28EA00 的通信速率：標(biāo)準(zhǔn)通信速率為15.3kb/s，高速通信速率為125kb/s；

　　DSP與U盤(pán)的通信速率約為600KB，與SD卡的通信速率約400KB。

　　2 系統(tǒng)抗干擾性能分析

　　在1-Wire系統(tǒng)中，僅DSP在信號(hào)瞬變期間進(jìn)行控制才可能實(shí)現(xiàn)線路終端匹配。因此，1-Wire網(wǎng)絡(luò)很容易受到其他噪聲的影響。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的物理形狀大小和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，從端點(diǎn)到分支點(diǎn)的反射可能會(huì)在一定程度上相互疊加或抵消，如同1-Wire通信線路上的毛刺或振蕩一樣，這樣的反射也是不容忽視的。

　　在線應(yīng)答脈沖的下降沿斜率是受控制的，這樣提供了比數(shù)字開(kāi)關(guān)晶體管更好的傳輸線阻抗匹配，將來(lái)自傳統(tǒng)器件的高頻振蕩轉(zhuǎn)換為更平滑的低頻瞬變。斜率控制由參數(shù)tFPD（器件存在下降時(shí)間）指定，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)速度和高速模式，具有不同的取值。

　　該電路中增加了一個(gè)低通濾波器，用于檢測(cè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)的下降沿，這樣可降低器件對(duì)高頻噪聲的敏感度。

　　高低開(kāi)關(guān)門(mén)限VTH具有一個(gè)滯回。如果一個(gè)負(fù)毛刺的電壓低于VTH，但不低于VTH-VHY時(shí)，就不會(huì)判定為負(fù)脈沖（如圖7 Case A），滯回在任何1-Wire速率下均起作用。

　　該系統(tǒng)具有一個(gè)tREH（上升沿拖尾時(shí)間）定義的時(shí)間窗口，在這個(gè)窗口內(nèi)，即使毛刺電壓低于門(mén)限VTH-VHY（如圖7 Case B，tGL<tREH），毛刺電壓仍會(huì)被忽略。

　　圖7 噪聲抑制示意圖

　　結(jié)語(yǔ)

　　該溫度采集記錄儀不但可以穩(wěn)定的采集溫度數(shù)據(jù)而且可以快速的將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤(pán)或者SD卡，便于以后分析處理，特別適合環(huán)境比較惡劣地區(qū)的溫度采集，為溫度采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了一個(gè)理想的解決方案。