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3.5.2报警控制电路工作过程21
3.6电源电路设计21
3.7多点温度数据采集系统电路图22
3.8小结22
4多点温度数据采集系统程序设计23
4.1主程序设计23
4.2子程序设计23
4.2.1DS18B20的通信协议23
4.2.2子程序24
4.3多点温度采集系统控制源程序27
4.4小结27
5系统调试及性能分析28
5.1系统调试28
5.2系统性能分析28
5.3小结28
6结束语29
附录130
附录232
参考文献41
致谢42
1引言
1.1研究背景及其意义
随着社会的发展、科技的进步以及测温仪器在各个领域的应用,智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。
特别是近年来,温度控制系统已应用到人们生活的各个方面,发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内;
许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行;
炼油过程中,原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。
没有合适的温度环境,许多电子设备就不能正常工作,粮仓的储粮就会变质霉烂,酒类的品质就没有保障[1]。
因此,各行各业对温度控制的要求都越来越高。
人民的生活与环境的温度息息相关,在工业生产过程中需要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量,因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
近年来,数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注,数据采集系统也有了迅速的发展,它可以广泛的应用于各种领域。
数据采集系统起始于20世纪50年代,1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统,目标是测试中不依靠相关的测试文件,由非成熟人员进行操作,并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。
由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性,可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务,因而得到了初步的认可。
大概在60年代后期,国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
20世纪70年代后期,随着微型机的发展,诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。
由于这种数据采集系统的性能优良,超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统,因而获得了惊人的发展。
从70年代起,数据采集系统发展过程中逐渐分为两类,一类是实验室数据采集系统,一类是工业现场数据采集系统。
20世纪80年代随着计算机的普及应用,数据采集系统得到了很大的发展,开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。
该阶段的数据采集系统主要有两类,一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。
这类系统主要应用于实验室,在工业生产现场也有一定的应用。
第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成,这一类在工业现场应用较多。
20世纪80年代后期,数据采集发生了很大的变化,工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合,用软件管理,是系统的成本减低,体积变小,功能成倍增加,数据处理能力大大加强。
20世纪90年代至今,在国际上技术先进的国家,数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。
由于集成电路制造技术的不断提高,出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统(DAS)。
数据采集技术已经成为一种专门的技术,在工业领域得到了广泛的应用。
该阶段的数据采集系统采用模块式结构,根据不同的应用要求,通过简单的增加和更改模块,并结合系统编程,就可扩展或修改系统,迅速组成一个新的系统。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展,而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。
相较于数据采集板卡成本和功能的限制,单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点,而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集,因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。
这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。
1.2国内外研究现状
数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号,并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。
它起始于20世纪中期,在过去的几十年里,随着信息领域各种技术的发展,在数据采集方面的技术也取得了长足的进步,采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。
各种领域都用到了数据采集,在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。
我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统[2]。
近年来,又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。
该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化,A/D采用同时采样,采样数据经DSP数字滤波处理后,变成数字地震信号。
该数据采集系统具备24位A/D转化位数,采样率有50HZ、100HZ、200HZ。
由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统,它由3部分组成:
(1)传感器:
利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据;
(2)计算机接口:
将来自传感器的数据信号输入计算机,采样速率最高为25万次/S;
(3)软件:
中文及英文的应用软件。
受需求牵引,新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。
如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。
本系统采用16位(A/D)模拟数字变换,总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns,可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。
科技时代,数据的重要性不言而喻!
温度传感器被广泛应用于工农业、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。
近百年来,温度传感器的发展大致经历了:
传统的含有敏感元件的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器/控制器和智能温度传感器三个阶段。
目前,国际上新型的温度传感器正从模拟式向数字化,有集成化向智能化、网络化方向发展。
1.3该课题研究的主要内容
数据采集技术是信息科学的重要分支之一,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题[3]。
它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。
数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。
随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。
数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机(如IBMPC系列)使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内,并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。
传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。
本系统以FPGA为核心,前向通道包括电源、四路DS18B20传感器输入和按键复位电路。
后向通道包括在线编程端口和LED显示电路。
电源给整个系统提供4~5.5V的直流电力。
温度传感器将分散于各数据点的温度数据转化为数字信号送入FPGA内寄存器待处理。
一个复位按键用来对整个系统进行跳出复位,防止程序进入死循环。
LED数码管作为当前通道代码及该通道温度值(精确到0.1摄氏度)的显示设备。
串口可以实现在线系统编程。
整个系统还有一个时钟电路,用来对整个系统提供基准信号,还可以产生震荡电流,发出时钟信号。
温度测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用。
在设计此类系统时,传统的方法是通过热敏电阻采集温度的模拟量,再用A/D转换器将转换后的数字量送给主控芯片,这种方案主要缺点是精度差,并因采用A/D转换器使电路过于复杂。
基于简化电路、提高性价比的考虑,本设计提出了采用集成化智能型温度传感器DS18B20完成现场温度采集。
1.4小结
本章介绍了本设计的研究背景、意义及国内外现状,并简要介绍了本设计的研究内容。
2系统总体设计
2.1数据采集系统及其设计框图
数据采集,又称数据获取,是利用一种装置,从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口[3]。
数据采集技术广泛引用在各个领域。
70年代初,随着计算机技术及大规模集成电路的发展,特别是微处理器及高速A/D转换器的出现,数据采集系统结构发生了重大变革。
原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。
由微处理器去完成程序控制,数据处理及大部分逻辑操作,使系统的灵活性和可靠性大大地提高,系统硬件成本和系统的重建费用大大降低。
本系统的采集对象是温度,因此系统设计应该包括:
温度采集模块、数据存储模块、温度转化模块、温度显示模块、复位模块、供电系统等几个基本部分。
温度采样处理电路由温度传感器、放大电路、A/D转换电路等组成。
采用分块结构的温度采样处理电路,其硬件电路结构复杂,也不便于数据的处理。
采用智能温度传感器采样处理电路,能够方便地进行温度的采集及简单的数据处理。
并且可以达到设计的技术指标要求。
本系统选择智能温度传感器DS18B20作为温度采集电路的核心器件。
由DS18B20及辅助电路构成温度采集电路。
采用智能温度传感器(DS18B20)采集环境温度并进行简单的模数转换;
FPGA(EP2C8Q208C8N)执行程序对温度传感器传输的数据进行进一步的分析处理,转换成环境对应的温度值,通过I/O口输出到数码显示管(LED)显示;
由键盘输入控制选择某采集电路检测温度及显示;
报警电路对设定的最高最低报警温度进行监控报警。
根据系统的设计要求,当温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到EP2C8Q208C8NFPGA上,经EP2C8Q208C8N处理,将把温度在显示电路上显示。
当开机后,显示屏和计时器进行初始化设置。
同时,本系统能够设置报警温度,在到达报警时间后能够通过LED发光二极管以及蜂鸣器提示报警。
利用EP2C8Q208C8N芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示,能够实现快速测量环境温度。
系统框图如下图:
温度传感器
(DS18B20)
电源
键盘
报警电路
LED显示
FPGA
EP2C8Q208CN
图2.1系统框图
选择DS18B20作为本系统的温度传感器,选择FPGAEP2C8Q208CN为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。
选用数字温度传感器DS18B20,输出信号全数字化。
便于FPGA处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路,省却了采样保持电路、运放、数模转换电路以及进行长距离传输时的串并转换电路,简化了电路,缩短了系统的工作时间,降低了系统的硬件成本。
当LED液晶显示器接收到来自FPGA传送来的温度信息后,分别显示了当前的温度。
2.2系统方案选择
2.2.1温度传感器的选择
考虑到用数字传感器,在FPGA电路设计中,大多都是处理数字信号,因此可以采用数字温度传感器DS18B20。
与传统传感器相比,单总线技术可以让FPGA节省大量的I/O资源,而且外部与传感器的相连的电缆、端子、槽盒、桥架,连线设计与接头校对的工作量也大大减少,即节省了投资,也减少了设计、安装的工作量。
同时,由于传感器直接输出的是数字信号,使系统省掉了放大、A/D转换等相关电路,系统的稳定性、可靠性有了大幅提高。
利用此传感器可以轻松地设计出一种高效的、简练的、且易维护的测温系统[4]。
通过以上比较,选用DS18B20传感器。
2.2.2主控芯片的选择
FPGA(Field-ProgrammableGateArray),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点[5]。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。
可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一[6]。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。
加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。
掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。
FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。
当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。
这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。
因此,FPGA的使用非常灵活。
本系统中,FPGA选用EP2C8Q208C8N芯片。
2.2.3显示部分
LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。
它使用了8个LED显示管,其中7个用于显示字符,1个用来显示小数点,故通常称之为八段发光二极管数码显示器。
对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力的位选和段选信号。
LED数码显示有动态扫描显示法和静态显示。
在系统中,为了节省硬件资源,多采用动态扫描显示法。
2.2.4按键
键盘是一种常见的输入设备,用户可以向计算机输入数据或命令。
根据案件的识别方法分类,有编码键盘和非编码键盘两种。
通过硬件识别的键盘称编码键盘;
通过软件识别的键盘成为非编码键盘。
非编码键盘有两种接口方法:
一种是独立按键接口;
另一种是矩阵式按键接口。
1、独立按键接口
在系统中,如果所需的按键较少,可采用独立式键盘。
每只按键接主控芯片的一条I/O线,通过对线的查询,即可识别各按键的状态。
如图2.2所示。
4只按键分别于主控芯片的P1.0~P1.3I/O线上。
无按键按下时,P1.0~P1.3线上均输入高电平。
当某按键按下时,与其相连的I/O线将为低电平输入。
图2.2独立按键接口图
2.矩阵式按键接口
在系统中需要的按键较多时,通常把键排成矩阵形式,这样可以节省硬件资源。
如对于20只按键接口,如采用按键独立方式,需要20个I/O口。
如采用矩阵式按键方式,则只需要9个I/O口。
如图2.3所示。
系统中的非编码式键盘程序主要由判别是否有键按下子程序、键的识别子程序、找到闭合键后,读入相应的键值,再转到相应的键处理程序几个部分组成。
图2.3矩阵式按键接口图
在该系统中所用到的按键有4个,所以采取独立按键接口方式。
2.3系统部件功能简介
2.3.1FPGA功能简介
目前以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流。
这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。
在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。
一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
FPGA有多种配置模式:
并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;
主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;
串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;
外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设,由微处理器对其编程。
FPGA具有速度快、效率高的优势,非常适于大数据量的高速传输控制,其组成形式灵活,可以集成外围控制、译码和接口等各种电路。
同时,FPGA控制器是独立单元,在电路中能分担CPU工作量,不但提高了CPU实时处理能力,而且提高了系统稳定性。
2.3.2DS18B20功能简介
2.3.2.1DS18B20的性能特点
DS18B20数字式温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等温度传感器相比,它能够直接读出被测温度,并可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式,可以在93.75ms至750ms内完成相应9位至12位的数字量转换[7]。
它的测温精度可达到0.0625℃/LSB。
它的测温范围是-55~+125℃。
因而使用DS18B20可使系统结构更简单,可靠性更高[8]。
芯片的耗电量很小,从总线上“偷”一点电存储在片内的电容中就可正常工作,一般不用另加电源。
最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信号数字化了,因此在单总线上传送的是数字信号,这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。
从DS18B20读出或写入信息仅需要一根口线,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,无需额外电源。
因而选用DS18B20是恰当的。
DS18B20传感器有如下特点:
(1)单线接口,只有一根信号线与CPU连接;
(2)不需要备份电源,可通过信号线供电,电源电压范围从3.3~5V;
(3)传送串行数据,不需要外部元件。
2.3.2.2DS18B20的测温原理
DS18B20测温原理如图2.4所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响小用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值[9]。
DS18B20在正常使用时的测温分辨率为0.5℃。
图2.4DS18B20工作原理图
2.3.2.3DS18B20的外形和内部结构
DS18B20采用3脚PR-35封装,其外形和内部结构框图分别如图2.5、图2.6所示。
图2.5DS18B20外形结构
图2.6DS18B20内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
64位光刻ROM的位结构图如图2.7所示。
64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。
图2.764位ROM结构
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个非易失性的可电擦除E2PRAM和一个高速暂存RAM。
E2PRAM包括存放高温度和低温度的触发器TH、TL和结构寄存器。
非易失性温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限。
高速暂存RAM的结构为9字节的存储器,结构图如图2.8所示。
头2个字节包含测得的温度信息。
第3、4字节是TH和TL的拷贝,每次上电复位时被刷新。
第5字节为配置寄存器,用于确定温度值的数字转换分辨率。
第6、7、8字节保留未用,表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码,可用来检验数据,从而保证通信数据的正确性。
第5字节配置寄存器各位的定义如图2.9所示;
低5位一直为1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式;
R1和R0决定温度转换的精度位数(即设置分辨率),定义方法见表2.1。
图2.8高速缓存RAM结构
图2.9配置寄存器
表2.1DS18B20分辨率的定义规定
R1
R0
分辨率/位
温度最大转换时间/ns
1
9
10
11
12
93.75
187.5
375
750
9位分辨率时,精度为0.5℃/LSB;
10位分辨率时,精度为0.25℃/LSB;
11位分辨率时,精度为0.125℃/LSB;
12位分辨率时,精度为0.0625℃/LSB。
转换精度越高所需转换时间越长[10]。
为了达到本系统的技术指标,选择12位分辨率。
2.3.2.4DS18B20供电方式
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式,工作稳定可靠,抗干扰能力强,而且电路也比较简单,可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。
在外接电源方式下,可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点,即使电源电压VCC降到3V时,依然能够保证测量精度。
所以本系统采用外部电源供电方式。
在外部电源供电方式下,DS18B20工作电源由VDD引脚接入,此时I/O线不需要强上拉,不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,同时在总线上可以挂接任意多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。
外部电源供电方式如图2.10所示。
在外部供电方式下,DS18B20的GND引脚必须接地,不能悬空,否则不能转换温度,读取的温度总是85℃。
图2.10DS18B20外部电源供电
2.3.2.5DS18B20的操作
(1)初始化
总线上的所有操作前要初始化主机,先发复位信号,之后,从机发出在线信号,后者通知主机DS18B20在线
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