摘 要： 介紹美國達拉斯半導體(Dallas Semiconductor)公司近年推出的單總線技術及相應的芯片，具體說明了用其設計環境狀態監控系統比采用傳統的數據采集的方案具有更高的性能價格比。
關鍵詞： 單總線 環境監控 計算機應用
環境狀態監控系統通常用于程控機房、精密儀器室、圖書館、庫房、無人值守站、變電站等場所，實時監測現場環境中的溫度、濕度、煙霧、浸水及非法侵入等情況，根據設定值自動報警并驅動相關執行器。這是計算機在測控領域的典型應用的實例。通常的設計方案是選用一塊性能符合要求的多路數據采集(A/D)卡，與PC機或單片機的并行口相聯，然后把各種傳感器送來的模擬信號經多路轉換開關加到A/D上，轉換成數字信號后交計算機進行處理。但是這樣設計至少存在兩大缺點：其一，要拉一大把線路才能把現場傳感器的信號送到采集卡上，布線施工麻煩、成本高；其二，線路上傳送的是模擬信號，易受干擾、易被損耗。因此，這種方案的性能價格比較低。本文介紹一種近年才推出的單總線技術，能有效地克服上述缺點。
1 單總線技術簡介
單總線技術是美國達拉斯半導體公司近年推出的新技術。它將地址線、數據線、控制線合為一根信號線，允許在這根信號線上掛上數百個測控對象，這些測控對象所用器件芯片是由該公司提供的。每個芯片均有一個64位的ROM，廠家對每一個芯片用激光燒寫編碼，其中存有16位十進制編碼的序列號，也稱之為身份證號，確保掛在單總線上后，可以被唯一地區分識別出來。這是定位和尋址器件實現單總線測控功能的前提條件。ROM中含有CRC檢驗碼，能確保數據交換可靠。芯片內還含有收、發控制和電源存儲電路，其示意圖如圖1所示。這些芯片的耗電量都很小，從總線上“偷”一點電(空閑時幾微瓦，工作時幾毫瓦)存在大電容中就可正常工作了，故一般不用另附電源。更為可貴的是這些芯片在檢測點就把模擬信號數字化了，這樣在單總線上傳送的是數字信號，使系統的抗干擾性能好、可靠性高。
應當指出，單總線技術是建立在碼分多址、串行分時數據交換的基礎上的，因此只能用于對速度要求不高的場合，一般用于100kbps以下速率的測控系統中。
2 系統的組建
采用單總線技術設計環境狀態監控系統，只要將一條雙絞線(一根為信號線，一根為地線)從計算機拉向監控現場，然后將各種監控對象掛在其上就可以了，其示意圖如圖2所示。圖中是以PC機串行口作輸出的，因此需要串接一個由RS232到單總線的適配器。實際上，單總線技術也允許從PC機或單片機并行口的某一位輸出。圖中只畫出了一個監控現場的配置，其布線接頭與電話線路通常用的一樣，插入和拔出都很方便。
該技術作用距離通常為300米，經擴展可達2000米。可以組建成一個由PC機驅動的微型局域網，該網干線長度可達200米，可掛20路支線；支線長度可達50米，可掛30個器件，能滿足一般監控系統的要求。
3 硬件配置
單總線專用芯片的種類和型號很多，可以參閱達拉斯公司的數據手冊和光盤(Data Book and CD ROM)根據需要選用，也可從互聯網上訪問。這里簡單介紹圖2中用到的一些器件芯片。
3.1 串口RS232到單總線適配器
當采用PC機進行低速測控時，用串行口RS232連接是很方便的，但它不能同時掛上許多測控對象。為此要采用RS232到單總線的適配器，實現與PC機方便的連接。達拉斯公司提供DS9097等型號的適配器，它可完成多線對一線的轉換及電平的變換。
3.2 數字溫度計
達拉斯公司提供了多種數字溫度計，適合單總線應用的典型產品是DS1820，其主要特性為：
·測量溫度：－55°C～+125°C
·分辨率：0.5°C
·溫度值輸出：9位數字量
·轉換速度： 200ms/次
·上下限溫度設置為用戶定義式
·不需外圍電路，電源可由單總線提供
·兩種封裝形式：3端PR－35塑封或16腳SSOP封裝
該溫度計是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關系、通過對振蕩周期的計數來實現溫度測量的。為了擴大測溫范圍和提高分辨率，使用了一個低溫系數振蕩器和一個高溫系數振蕩器分別進行計數，并采用了非線性累加器等電路來改善線性，故此DS1820具有上述良好的特性，而且售價僅為通常模擬溫度變送器的十分之一左右。
3.3 A/D轉換器
在單總線上直接掛上A/D轉換器，會使系統的檢測功能大大增強。各種物理量只要通過傳感器變為電壓量，就可由A/D采集后經單總線送到計算機進行處理。達拉斯公司最近推出的DS2450就是這樣的A/D轉換器，其主要特性為：
·4路模擬輸入通道，兩種模擬輸入量程：
0～2.56V和0～5.12V
·一個數據輸出口，以16.3kbps的速率通信，超速模式可達142kbps
·逐次逼近的變換原理，2～16位轉換精度(可選擇)
·采用單總線協議
·響應模擬電壓超門限報警設置
·不用另接電源和外圍電路
·8腳SOIC 封裝
這樣，上述溫、濕度的檢測，也可改用A/D轉換器DS2450和模擬式溫、濕度傳感器串接來實現。圖2中的煙霧傳感器用作防火報警，通常有離子式、光電式兩種，其輸出電壓超過A/D設定門限則做火災報警。防非法侵入可選用熱釋電式或紅外式傳感器，當有人侵入行動時，其輸出電壓可由A/D判知告警。
3.4 可尋址控制開關
在測控系統中，開關量控制是應用最多的。對計算機來講，則是送出一位0或1控制碼信號，用它去觸發被控電路。通常是先觸發光電耦合器，然后啟動繼電器、晶閘管或固體繼電器，視被控設備功率大小而選用合適的開關器件。
達拉斯公司提供了一些可尋址的控制開關，如DS2405，其主要特性為：
·適用于單總線協議
·由單總線上的數據作為開關信號，控制漏極開路輸出端的通斷狀態，如圖3所示。
·PIO引腳吸收能力大于4mA/0.4V
·不用外接電源
·三種封裝形式：TO－92三腳塑封；SOT－223四腳平面封裝和C－Lead六腳表面安裝封裝。
3.5 硅序列號DS2401
該芯片實際上是符合單總線協議的ROM硅片，廠家在其中寫入了唯一的序列號，用作尋址定位的標識。例如圖2中的浸水報警，當置于地面上的探測器被水淹了，則短路接通了DS2401，被計算機查詢到后就會發出浸水報警。
3.6 防靜電保護二極管
為防止處在開路狀態易受靜電等干擾侵入，通常在單總線線路的末端都接上DS9502之類保護二極管。
4 軟件設計
在單總線測控系統中，軟件設計是技術的關鍵。簡潔的硬件配置是靠復雜的軟件來支撐的。單總線軟件設計是基于達拉斯公司授權的軟件開發商(ASDs)提供的TMEX軟件成套開發工具。TMEX支持Microsoft Windows及DOS的各種計算機平臺，可以采用C、C++、Pascal(Borland Delphi)、Microsoft Access和Microsoft Visual Basic等計算機語言。TMEX還支持DS9097U通用串行口轉換器、DS9097、DS9087E及“真正”接地串行口轉換器和DS1410E、DS1410D并行轉換口。
為保證數據可靠地傳送，任一時刻單總線上只能有一個控制信號或數據。進行數據通信時應符合單總線協議，計算機對某一測控對象操作時，一般有以下四個過程：⑴初始化信號；⑵傳送ROM命令；⑶傳送RAM命令；⑷數據交換。每次傳送的數據或命令都是由一系列的時序信號組成的，單總線上共有四種時序信號：⑴初始化信號(復位信號)；⑵寫0信號；⑶寫1信號；⑷讀信號。設計中應保證指令執行時間小于或等于時序信號中的最小時間。由于有了TMEX單總線軟件開發工具，軟件設計比較規范，容易掌握。
由于可在Windows平臺上開發軟件，則可在屏幕上設計精美、生動的界面，既可看到監控系統的總布局圖，又可查看某個監控現場的狀態數據和指示信號，進而達到現代化、自動化的管理水平。
綜上所述，用單總線技術設計環境狀態監控系統比采用傳統的數據采集方案具有較高的性能價格比。而且，可以看出該技術具有以下特點：適用于低速測控場合；測控對象越多，越顯示其優越性；性價比高；硬件施工、維修方便；抗干擾性能好;有CRC校驗，可靠性高；軟件設計規范；系統簡明直觀，易于掌握。因此，積極推廣單總線技術的應用會有很好的經濟效益和社會效益。
參考文獻
1 Dallas Products Data Book,1999(網絡版)
2 Dallas Application Net Book,1999(網絡版)