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| 高可靠分布式智能测温系统设计 | |||||
作者：未知 文章来源：Internet 点击数： 更新时间：2007-1-7  |
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摘要：基于I2C总线和数字式温度AD7416设计了主从分布式智能测温系统，实现了高可靠温度采集。文章给出了系统的构成及实现方法，并对AD7416作了详细介绍。 关键词：高可靠；分布式；I2C总线；AD7416；温度测量；系统 中图分类号：TP212.11, TP202+.1 文献标识码：A 文章编号：1006-883X(2002) 12-0027-03 一、引言 在多点温度采集中造成系统不可靠的因素主要集中在电路设计、元件选择、软件设计三个方面。在电路设计上，不可靠因素为电源干扰、滤波不可靠、线路过于复杂、无屏蔽措施等。改进方法为采用电源双滤波、双稳压、总线结构和导线屏蔽等措施。在元件选择上，由于选用模拟器件造成工作模式繁琐（传感器—运算放大—A/D转换），也会造成系统不可靠，可改选用数字温度传感器（集成A/D转换）。在软件设计上，由于抗干扰措施不利，可能出现死锁、死循环等现象，设置监视跟踪定时器、软件陷阱可避免此类现象的发生。 基于以上考虑，我们以数字温度传感器AD7416改变了传统的温度采样模式，由于AD7416本身集成了I2C总线接口，故在减小电路的复杂性上采用了成熟的I2C总线技术。实验证明，本系统具有可靠性高、线路简单、功能多样、造价低廉的优点。 二、系统构成 如图1所示，该系统由主机、温度采集系统、显示系统、报警系统和附加的从机系统组成。主机和从机都选取AT89C2051单片机，该单片机带有2K Flash闪存，可简化系统设计且性能可靠；温度采集系统由8片AD7416温度采集传感器构成；显示系统由三块LED组成，用来显示当前各点温度中的最高温度值、最低温度值和键盘设定的温度值；报警系统由功放和电笛组成，当任一点或几点的温度超越警戒线时，由主机的P3.7以高电平触发报警系统，发出警报，同时三个显示器分别显示超越警戒线的点数、相应各点地址、各点温度值。
图1 分布式测温系统构成 温度采集部分电路图如图2所示，每一片AD7416的SDA、SCL两个端口分别与主机的P1.0、P1.1相连，由软件来实现I2C总线控制。A2、A1、A0端口分别与电源地和高电平相连结，从而确定了每一片唯一的地址（000~111）。考虑到尽最大限度降低功耗，本系统采用智能化间歇数据采集，即首先把温度变化值分为报警温度、预警温度、准预警温度、正常温度四个档次。当温度处于正常情况下时，温度采集周期为30min，若某一点的温度有变化，当接近准预警点时，采集周期变化为10min，若温度仍有提高达到预警温度，则采集周期为3min，一旦出现报警温度，系统进入实时采集状态，并发出报警。
图2 温度采集电路 本系统可以采取两种工作方式，即软件控制方式和硬件设定方式。软件控制方式不需要从机，警戒温度在主机编程时直接设定。这种方式适应于警戒温度比较固定的场合；硬件设定方式采用从机作为警戒温度的输入设备，可以随时更改警戒温度，以便适应警戒温度变化频繁的场合。 三、系统实现 基于I2C总线技术、显示技术、报警技术等都是比较成熟的技术，本文在此仅对系统实现的关键部分和技术加以简要介绍。 1、AD7416温度传感器 AD7416是美国AD公司生产的内置I2C总线接口的新型数字温度传感器，和传统的温度传感器相比，如热敏、铂热电阻和半导体温度传感器，AD7416价格便宜、测温精度高，低功耗、可以直接与微处理器接口。AD7416直接集成了温度传感器和10位A/D数模转换器，测量范围为-55~125°C，精度可达0.25°C。片内寄存器可设定高低温度门限，并提供一个漏级开路的“超温指示（OTI）”输出，当外界温度超过设定门限时，OTI输出有效。AD7416为8脚表贴封装，其中SDA、SCL为I2C串行总线的数据和时钟信号。 AD7416内部共有5个寄存器，包括4个数据寄存器和一个地址指针寄存器。四个数据寄存器依次为：温度值寄存器、温度上限寄存器、温度下限寄存器、配置寄存器。经10位A/D数模转换器转换的温度数值，将存储在16位的温度值寄存器中，其中仅有高10位有效。有关AD7416的更详细的信息请参见参考文献[1]。表1给出了本系统设计使用到的相应数据存储器地址分配值。 表1 数据存贮器地址分配表
2、温度采集处理程序框图 温度采集处理分为温度设定过程和温度数据读取过程，在整个系统设计过程中，能否实现智能化的温度设定、温度读取关键在温度处理程序的实现。本文在图3中列出上限温度设定的程序流程图，在图4给出了温度数据读取的程序流程图。 3、高可靠性实现 很显然，能否在智能的基础上可靠的实现数据的采集对本系统具有重要的意义。除了在温度采集上使用了数字温度传感器和成熟I2C总线技术，在可靠性设计上本系统还采用了以下技术： （1）硬件可靠性 系统设计时，充分考虑到了可靠性设计的要求，如器件选择上，考虑到噪声容限，主要使用CMOS器件；另外还采用了相应的专用可靠性器件，如尖峰抑制二极管、信号线故障保护器等；在电源设计上，采用双稳压、双滤波处理，确保了电源的稳定性；通过设置集成芯片旁路0.01~0.1µF电容，有效的消除了电流瞬变产生的尖峰；对信号线的屏蔽措施使温度数据的采集可靠性大大增加。
图3 上限温度设定程序流程 （2）软件可靠性 智能化的实现，可靠的软件设计是必需的。在软件可靠性设计中，本系统主要针对程序运行中出现的程序异常与回复采取了相应的措施。除了通常采用的设置程序监控跟踪定时器、软件陷阱技术等，本系统在主程序设计上，把整个程序分为若干个子程序，如初始化子程序、温度上限设定子程序、报警子程序等。对子程序每一个RET语句后添加以下程序段： NOP NOP · · LCALL BEGIN 这样，使得程序在跳飞以后及时回到主程序开始继续执行。通过以上处理方法，本系统实现了程序控制的高可靠性。 四、结论 本系统在实际应用中取得了良好效果，在温度采集的可靠性上达到了系统设计时提出的标准。尤其采用了主从式设计，使温度采集报警功能得到较好的发挥，有利于进一步的推广。
图4 读温度值寄存器程序流程 |
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