基于I2C總線的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)

孫延輝

（遼寧石油化工大學(xué) 信 息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫 順113001）

隨著社會的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，許多產(chǎn)品對溫度范圍的要求越加嚴(yán)格，尤其在工業(yè)發(fā)展方面，如冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃等行業(yè)，而目前市場上溫度檢測儀器大多是單點(diǎn)測量，不能適應(yīng)當(dāng)今社會生產(chǎn)高效率要求，且溫度信息精度不高。因此設(shè)計(jì)一種能夠同時(shí)測量多點(diǎn)溫度，測量精度高，能夠綜合處理多點(diǎn)溫度信息的測量系統(tǒng)很有必要。這里提出一種能多路采集、顯示的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用I2C總線，單主機(jī)多從機(jī)的工作模式，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的采集、讀取與顯示。主機(jī)由主控制器、數(shù)碼管顯示、電源、報(bào)警、鍵盤等模塊組成，完成以下功能：1）主機(jī)通過按鍵確定進(jìn)入溫度測量狀態(tài)以及即將讀取溫度的節(jié)點(diǎn)；2）主機(jī)從總線上讀取節(jié)點(diǎn)溫度值并顯示；3）空閑時(shí)，由按鍵確定進(jìn)入時(shí)間顯示狀態(tài)。時(shí)鐘使用單片機(jī)內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、外部6 MHz晶振，CPU掉電運(yùn)行，每0.5 s喚醒一次；而從機(jī)由數(shù)字溫度傳感器等組成，實(shí)現(xiàn)完成以下功能：1）采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度值；2）響應(yīng)主機(jī)的請求，發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。

基于I2C總線的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)選用具有硬件I2C總線功能的P89LPC922[1]單片機(jī)作為主控制器，采用具有I2C功能器件的數(shù)字溫度傳感器LM75A[2]和數(shù)碼管顯示驅(qū)動及鍵盤掃描管理器件ZLG7290。LM75A采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度值，并通過I2C總線發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，ZLG7290驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示溫度值和時(shí)間[3]。采用SPX1117設(shè)計(jì)電源模塊提供3.3V電壓[4]。該系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.2 各模塊電路設(shè)計(jì)

1.2.1控制器模塊

主控制器采用P89LPC922單片機(jī)。該單片機(jī)是一款單片封裝的微控制器，適合于那些要求高集成度、低成本的場合，滿足多方面性能要求。其內(nèi)部集成了鍵盤中斷、串行接口（UART/I2C）、看門狗定時(shí)器，采用先進(jìn)的2-clock技術(shù)，指令執(zhí)行速度是傳統(tǒng)80C51的6倍。支持空閑、掉電、時(shí)鐘預(yù)分頻等多種節(jié)電模式，另外，其4中斷優(yōu)先級結(jié)構(gòu)，為多個(gè)中斷源的處理提供極大的靈活性。

根據(jù)主控器P89LPC922單片機(jī)的鍵盤中斷特性[5]，鍵盤模塊可直接由3個(gè)I/O口控制實(shí)現(xiàn)3個(gè)按鍵，其原理圖如圖2所示。

圖2 P89LPC922控制的鍵盤電路

本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警過程，使用I/O口的開漏方式對蜂鳴器進(jìn)行控制。指示燈電路是由2個(gè)LED組成，使用I/O口的推挽輸出方式驅(qū)動LED。

1.2.2溫度采集模塊

LM75A是一個(gè)使用了內(nèi)置帶隙溫度傳感器和∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)使用2片LM75A采集兩點(diǎn)的溫度值，其原理圖如圖3所示。

圖3 溫度采集電路

1.2.3顯示模塊

ZLG7290B是數(shù)碼管顯示驅(qū)動及鍵盤掃描管理器件，能夠直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨(dú)立的LED）。這里只使用ZLG7290B的數(shù)碼管顯示驅(qū)動功能，而沒有用其鍵盤功能，因此電路大大簡化，其原理圖如圖4所示。

圖4顯示電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

I2C是一個(gè)多主總線，其可由多個(gè)器件控制。一般的I2C器件都具有一個(gè)唯一的地址以保證控制的準(zhǔn)確性，普通I2C總線傳輸速率為100 Kbit/s，在新增的高速模式下其可達(dá)到3.4 Mbit/s的速率，以支持一些高速傳輸?shù)膽?yīng)用，如大容量Flash存儲器。

LPC900系列單片機(jī)內(nèi)部集成了I2C總線，既可作I2C總線上的主控器件，也可作I2C總線上的從器件，同時(shí)其具有4種I2C總線收發(fā)模式：主發(fā)送器模式，主接收器模式，從發(fā)送器模式，從接收器模式。

本設(shè)計(jì)的I2C軟件包采用硬件I2C總線中斷方式，硬件I2C的總線競爭和同步邏輯是軟件無法模擬的，本軟件包是硬件I2C以主方式工作的，它包括了申請總線，發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)，接收字節(jié)數(shù)據(jù)等等，而面對其他模塊程序的是幾個(gè)歸一化子程序，只要設(shè)置幾個(gè)入口參數(shù)，即可調(diào)用[6]。

圖5和圖6分別為實(shí)時(shí)時(shí)鐘和鍵盤中斷服務(wù)流程，其中實(shí)時(shí)時(shí)鐘0.5 s產(chǎn)生1次中斷，而鍵盤中采用3個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵按下時(shí)均可產(chǎn)生一次中斷。本設(shè)計(jì)主函數(shù)完成CPU掉電運(yùn)行，使系統(tǒng)功耗降至最低，只有在按鍵中斷和實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷時(shí)才會喚醒CPU。

圖5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷服務(wù)流程

圖6 鍵盤中斷服務(wù)流程

3 系統(tǒng)測試

3.1 硬件測試

利用萬用表對焊接好的電路板進(jìn)行測試。首先測試線路部分，各線路連接正常，沒有出現(xiàn)短路和斷路的現(xiàn)象；其次，上電后，電源燈亮，證明電源連接正常，測電源電壓輸入為5 V，輸出為3.3 V，電源電路工作正常。其余模塊通過軟件測試。

3.2 軟件測試

通過ZLG7290測試程序驗(yàn)證I2C總線的傳輸情況，并利用邏輯分析儀來觀察其時(shí)序，如圖7所示。

圖7 ZLG7290時(shí)序

從圖7可以看出，該時(shí)序部分完成的是使第1位數(shù)碼管顯示“0”的過程，從啟動總線到結(jié)束總線的一個(gè)完整過程。該過程總共發(fā)送了4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，在總線啟動后發(fā)送的是ZLG7290的從機(jī)地址，后跟一位讀寫位0，表命令緩沖區(qū)的首地址，每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后都會收到一個(gè)應(yīng)答位0，表示接收到數(shù)據(jù)。后面2個(gè)字節(jié)是復(fù)合指令，在這里是按位下載數(shù)據(jù)且譯碼指令，即使第1位數(shù)碼管顯示0。發(fā)送完指令后緊接著是結(jié)束總線條件，表示一次發(fā)送過程結(jié)束。

通過LM75A測試程序是向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，收到應(yīng)答位0后，緊接著發(fā)送從機(jī)子地址，在這里是ZLG7290命令緩沖區(qū)的首地址，每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后都會收到一個(gè)應(yīng)答位0，表示接收到數(shù)據(jù)。后面2個(gè)字節(jié)是復(fù)合指令，在這里是按位下載數(shù)據(jù)且譯碼指令，即使第1位數(shù)碼管顯示0。發(fā)送完指令后緊接著是結(jié)束總線條件，表示一次發(fā)送過程結(jié)束。驗(yàn)證I2C總線的接收數(shù)據(jù)的過程，并利用邏輯分析儀來觀察其時(shí)序，如圖8所示。

圖8 LM75A時(shí)序

從圖8可以看出，該時(shí)序部分完成的是讀取溫度值的過程，也是一個(gè)I2C總線帶重復(fù)起始條件的接受數(shù)據(jù)的過程。該過程分發(fā)送和接收兩部分。發(fā)送部分包括發(fā)送從機(jī)地址和從機(jī)子地址，即LM75A的地址90H和LM75A溫度寄存器首地址00H。然后重新啟動總線準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，該部分主機(jī)先發(fā)送從機(jī)地址，并跟讀寫位1，表示主機(jī)將接收該從機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，緊接著主機(jī)接收2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，主機(jī)發(fā)送應(yīng)答位后，再發(fā)送停止條件結(jié)束總線，表示主機(jī)接收完一次數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)綜合測試

將程序燒進(jìn)P89LPC922，上電后，數(shù)碼管顯示“0000”，通過按鍵2和按鍵3來設(shè)置時(shí)鐘初值。當(dāng)讀取的溫度值超過設(shè)定的溫度值范圍，蜂鳴器會發(fā)出報(bào)警提示音。這時(shí)可通過按下按鍵1取消聲音，同時(shí)切換為時(shí)鐘顯示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)為綜合處理多點(diǎn)溫度信息的測量系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量精度高，速度快，能實(shí)現(xiàn)報(bào)警。該系統(tǒng)的測溫范圍為－55～+125℃，測量精度能達(dá)到0.125℃，由于采用I2C總線的結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)占用主控制器I/O口較少，其余I/O口可留作系統(tǒng)擴(kuò)展之用。該系統(tǒng)可應(yīng)用于植物生長環(huán)境的溫度檢測，當(dāng)超出植物適宜生長溫度范圍時(shí)將發(fā)出報(bào)警。

[1]Philips Semiconductors.P89LPC920/921/922 user manual[DB/OL].（2003）[2010-01-09].http：//www.ic-on-line.cn/IOL/datasheet/p89lpc921_153272.pdf.

[2]Philips Semiconductors.LM75A digital temperature sensor and thermal watchdog data sheet[DB/OL].（2004）[2010-01-09].http：//www.ic-on-line.cn/IOL/datasheet/lm75adp_1265950.pdf.

[3]周立功.I2C總線概要：產(chǎn)品應(yīng)用手冊[M].廣州：廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2006.

[4]周立功.LPC900系列Flash單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[5]李朝青．PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．

[6]王幸之，鐘愛琴，王雷，等．AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004．