用单总线技术设计环境状态监控系统

环境状态监控系统通常用于程控机房、精密仪器室、图书馆、库房、无人值守站、变电站等场所，实时监测现场环境中的温度、湿度、烟雾、浸水及非法侵入等情况，根据设定值自动报警并驱动相关执行器。这是计算机在测控领域的典型应用的实例。通常的设计方案是选用一块性能符合要求的多路数据采集(A/D)卡，与PC机或单片机的并行口相联，然后把各种传感器送来的模拟信号经多路转换开关加到A/D上，转换成数字信号后交计算机进行处理。但是这样设计至少存在两大缺点：其一，要拉一大把线路才能把现场传感器的信号送到采集卡上，布线施工麻烦、成本高；其二，线路上传送的是模拟信号，易受干扰、易被损耗。因此，这种方案的性能价格比较低。本文介绍一种近年才推出的单总线技术，能有效地克服上述缺点。

1 单总线技术简介

单总线技术是美国达拉斯半导体公司近年推出的新技术。它将地址线、数据线、控制线合为一根信号线，允许在这根信号线上挂上数百个测控对象，这些测控对象所用器件芯片是由该公司提供的。每个芯片均有一个64位的ROM，厂家对每一个芯片用激光烧写编码，其中存有16位十进制编码的序列号，也称之为身份证号，确保挂在单总线上后，可以被唯一地区分识别出来。这是定位和寻址器件实现单总线测控功能的前提条件。ROM中含有CRC检验码，能确保数据交换可靠。芯片内还含有收、发控制和电源存储电路，其示意图如图1所示。这些芯片的耗电量都很小，从总线上"偷"一点电(空闲时几微瓦，工作时几毫瓦)存在大电容中就可正常工作了，故一般不用另附电源。更为可贵的是这些芯片在检测点就把模拟信号数字化了，这样在单总线上传送的是数字信号，使系统的抗干扰性能好、可靠性高。

应当指出，单总线技术是建立在码分多址、串行分时数据交换的基础上的，因此只能用于对速度要求不高的场合，一般用于100kbps以下速率的测控系统中。

2 系统的组建

采用单总线技术设计环境状态监控系统，只要将一条双绞线(一根为信号线，一根为地线)从计算机拉向监控现场，然后将各种监控对象挂在其上就可以了，其示意图如图2所示。图中是以PC机串行口作输出的，因此需要串接一个由RS232到单总线的适配器。实际上，单总线技术也允许从PC机或单片机并行口的某一位输出。图中只画出了一个监控现场的配置，其布线接头与电话线路通常用的一样，插入和拔出都很方便。

该技术作用距离通常为300米，经扩展可达2000米。可以组建成一个由PC机驱动的微型局域网，该网干线长度可达200米，可挂20路支线；支线长度可达50米，可挂30个器件，能满足一般监控系统的要求。

3 硬件配置

单总线专用芯片的种类和型号很多，可以参阅达拉斯公司的数据手册和光盘(Data Book and CD ROM)根据需要选用，也可从互联网上访问。这里简单介绍图2中用到的一些器件芯片。

3.1 串口RS232到单总线适配器

当采用PC机进行低速测控时，用串行口RS232连接是很方便的，但它不能同时挂上许多测控对象。为此要采用RS232到单总线的适配器，实现与PC机方便的连接。达拉斯公司提供DS9097等型号的适配器，它可完成多线对一线的转换及电平的变换。

3.2 数字温度计

达拉斯公司提供了多种数字温度计，适合单总线应用的典型产品是DS1820，其主要特性为：

·测量温度：－55°C～+125°C
·分辨率：0.5°C
·温度值输出：9位数字量
·转换速度： 200ms/次
·上下限温度设置为用户定义式
·不需外围电路，电源可由单总线提供
·两种封装形式：3端PR－35塑封或16脚SSOP封装

该温度计是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系、通过对振荡周期的计数来实现温度测量的。为了扩大测温范围和提高分辨率，使用了一个低温系数振荡器和一个高温系数振荡器分别进行计数，并采用了非线性累加器等电路来改善线性，故此DS1820具有上述良好的特性，而且售价仅为通常模拟温度变送器的十分之一左右。

3.3 A/D转换器

在单总线上直接挂上A/D转换器，会使系统的检测功能大大增强。各种物理量只要通过传感器变为电压量，就可由A/D采集后经单总线送到计算机进行处理。达拉斯公司最近推出的DS2450就是这样的A/D转换器，其主要特性为：

·4路模拟输入通道，两种模拟输入量程：
0～2.56V和0～5.12V
·一个数据输出口，以16.3kbps的速率通信，超速模式可达142kbps
·逐次逼近的变换原理，2～16位转换精度(可选择)
·采用单总线协议
·响应模拟电压超门限报警设置
·不用另接电源和外围电路
·8脚SOIC 封装

这样，上述温、湿度的检测，也可改用A/D转换器DS2450和模拟式温、湿度传感器串接来实现。图2中的烟雾传感器用作防火报警，通常有离子式、光电式两种，其输出电压超过A/D设定门限则做火灾报警。防非法侵入可选用热释电式或红外式传感器，当有人侵入行动时，其输出电压可由A/D判知告警。

3.4 可寻址控制开关

在测控系统中，开关量控制是应用最多的。对计算机来讲，则是送出一位0或1控制码信号，用它去触发被控电路。通常是先触发光电耦合器，然后启动继电器、晶闸管或固体继电器，视被控设备功率大小而选用合适的开关器件。

达拉斯公司提供了一些可寻址的控制开关，如DS2405，其主要特性为：

·适用于单总线协议
·由单总线上的数据作为开关信号，控制漏极开路输出端的通断状态，如图3所示。
·PIO引脚吸收能力大于4mA/0.4V
·不用外接电源
·三种封装形式：TO－92三脚塑封；SOT－223四脚平面封装和C－Lead六脚表面安装封装。


3.5 硅序列号DS2401

该芯片实际上是符合单总线协议的ROM硅片，厂家在其中写入了唯一的序列号，用作寻址定位的标识。例如图2中的浸水报警，当置于地面上的探测器被水淹了，则短路接通了DS2401，被计算机查询到后就会发出浸水报警。

3.6 防静电保护二极管

为防止处在开路状态易受静电等干扰侵入，通常在单总线线路的末端都接上DS9502之类保护二极管。