基于SMBus的雙CPU運(yùn)煤滾軸溫度檢測的應(yīng)用研究

王亞林　郭文慧　查文華

摘 要：監(jiān)控煤礦運(yùn)煤皮帶與滾動軸之間的摩擦溫度。利用雙CPU實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換和處理，將主控和數(shù)據(jù)處理等功能分開執(zhí)行。利用多個紅外測溫傳感器MLX90614，分別固定在各滾軸附近，其簡單的SCK和SDA接口，直接連接于CPU的普通I/O口，各自對應(yīng)一個不同地址，快速完成滾軸溫度檢測。利用雙端口RAM作為共享數(shù)據(jù)存儲器，兩個端口有兩套完全獨立的控制總線、地址總線和I/O數(shù)據(jù)總線，可獨立讀/寫任意地址單元，兩個CPU共享該存儲器，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

關(guān)鍵詞：MLX90614 雙端口RAM 雙CPU 溫度監(jiān)控

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（c）-0055-02

礦井皮帶機(jī)運(yùn)煤過程中，皮帶與滾軸摩擦容易溫度升高，造成了火災(zāi)隱患。設(shè)計溫度監(jiān)控，及時觀察溫度異常，并做出防范措施。如果利用接觸式測溫，響應(yīng)時間長，也受環(huán)境影響大；而利用紅外測溫，避免了與物體接觸，響應(yīng)速度快，測溫范圍廣，不受溫度上限的限制，只需沿滾軸方向，分布防止紅外測量儀，可實時監(jiān)控溫度異常位置；紅外測溫模塊的數(shù)據(jù)輸出方式以系統(tǒng)管理總線（SMBus）輸出，可以和多個設(shè)備互傳信息，避免了使用獨立的控制線路，也避免了在無法響應(yīng)及處理串行中斷時，發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者錯誤等問題。利用雙CPU進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換和處理，一個用于實現(xiàn)系統(tǒng)的主控制功能，另一個則完成數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理等功能[1]。

1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

硬件結(jié)構(gòu)框圖的具體功能如下：

（1）接收、處理皮帶運(yùn)行中的溫度狀況，做出超溫報警提示；

（2）實時對SMBus總線上各個紅外測溫模塊的單獨控制、操作和控制；

（3）傳輸溫度異常的具體位置信息；

（4）能對溫度參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控。

主控制器是整個測溫系統(tǒng)的核心，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在極短時間內(nèi)對系統(tǒng)所有任務(wù)進(jìn)行響應(yīng)，并加入LCD顯示溫度參數(shù)等。實現(xiàn)了多任務(wù)管理、數(shù)據(jù)通信、處理、安全監(jiān)測及實時響應(yīng)的功能。溫度監(jiān)控器的硬件框圖如圖1所示。

2 主要元器件介紹

2.1 溫度傳感器硬件電路

紅外測溫器是由光學(xué)系統(tǒng)、觀點探測器、信號放大器、信號處理器及輸出等部分組成。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置決定。紅外光聚集在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。

紅外溫度傳感器MLX90614AA，其工作電壓為5 V，是單區(qū)域測溫；內(nèi)部聚集了低噪聲放大、17位A/D轉(zhuǎn)換、可編程FIR和IIR濾波、線性化和補(bǔ)償性等幾大功能；感測的熱量由傳感器內(nèi)部的熱電偶電壓表征，利用芯片EEPROM中存儲的生產(chǎn)廠設(shè)定的校準(zhǔn)參數(shù)，計算出物體上下限溫度，標(biāo)注校準(zhǔn)參數(shù)后，精度可達(dá)0.2 ℃，被數(shù)字化處理后保持在內(nèi)部RAM中，需要時經(jīng)通過SMBus方式讀?。蛔罱K測量結(jié)果經(jīng)數(shù)字式脈沖寬度調(diào)制后，以PWM方式輸出?？蓽y溫度范圍在-60 ℃～+350 ℃，滿足皮帶機(jī)溫度升高時，完成報警功能。多個MLX90614可以用于一個系統(tǒng)中，各自對應(yīng)一個不同地址，訪問不同的地址即可訪問對應(yīng)的MLX90614，SCK和SDA直接連接F020的普通I/O口即可[2]。MLX90614外圍接口電路如圖2所示。

2.2 高速雙端口RAM

皮帶機(jī)運(yùn)煤過程中，當(dāng)滾軸溫度異常升高時，能及時高速采集到溫度信息并進(jìn)行處理，是考慮的關(guān)鍵因素之一。利用雙端口RAM作為數(shù)據(jù)存儲器，以數(shù)據(jù)共享方式進(jìn)行傳送，兩個F020共享該存儲器；本文采用IDT700d雙端口RAM，兩個端口有兩套完全獨立的控制總線、地址總線和I/O數(shù)據(jù)總線，允許兩個F020同時訪問存儲器，可獨立讀/寫任意地址單元，提高了系統(tǒng)或模塊間數(shù)據(jù)傳輸速率，可靠性好，實現(xiàn)簡單，解決了競爭問題，訪問時間最大只有幾十ns，最快存取時間達(dá)到15 ns，無需插入等待[3]。IDT700d雙端口RAM其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 旗語邏輯仲裁控制電路

RAM片內(nèi)的仲裁電路，能解決數(shù)據(jù)通信中的競爭問題，通過對優(yōu)先級高的端口進(jìn)行讀寫操作，另一端口延遲等待，當(dāng)前者完成讀寫操作后，被延遲端口就可以繼續(xù)工作了。IDT7005內(nèi)部有8個旗語邏輯仲裁控制電路，用來將一個端口的使用狀態(tài)傳送到另一端口，同時也獨立于雙端口RAM的鎖存器邏輯電路，在某一段時間，段內(nèi)RAM只允許一個CPU對其分配的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫操作，避免了地址沖突。旗語邏輯電路如圖4所示。

使用過程中，應(yīng)該為低電平，～用于8個旗語邏輯電路尋址，數(shù)據(jù)線用于旗語邏輯電路狀態(tài)的寫入和讀出。將IDT7005劃分為高地位兩個4K存儲區(qū)，旗語邏輯電路0和1分別用來判別是否有端口占用RAM中的低位和高位存儲區(qū)。當(dāng)1號端口要對低位存儲區(qū)操作，則先向旗語電路0寫入“0”，再讀入旗語狀態(tài)，若讀入值為“1”，表示2號端口在操作該地區(qū)；反之為1號端口在操作低位區(qū)。當(dāng)2號口正在操作該低位存儲區(qū)時，1號端口可以通過循環(huán)查詢旗語狀態(tài)的方式來等待2號端口釋放RAM的使用權(quán)。

2.3 SMBus總線介紹

MLX90614數(shù)據(jù)的輸出方式以系統(tǒng)管理總線SMBus的方式輸出，接入F020微控制器時，作為從器件工作。SMBus是基于的操作原理，具有兩線接口；一線實現(xiàn)系統(tǒng)和電源管理任務(wù)，另一線和其他設(shè)備通信。MLX90614的數(shù)據(jù)傳輸時序為：數(shù)據(jù)在SCL的上升沿被捕獲，16位數(shù)據(jù)分兩次傳輸，每次傳輸一個字節(jié)，每個字節(jié)都是按照高溫（MSB）在前，低位（LSB）在后的方式傳輸，字節(jié)中間的第9個時鐘是應(yīng)答時鐘[4]。

2.3.1 總線讀器件格式

讀EEPROM還是RAM的數(shù)據(jù)，由命令決定，讀數(shù)據(jù)格式如圖5所示。endprint

當(dāng)主機(jī)讀MLX90614時，先寫控制碼，在讀數(shù)據(jù)，主機(jī)每發(fā)送完一個字節(jié)開始查詢應(yīng)答信號，再收到一個字節(jié)就給出一個應(yīng)答信號；先向從器件發(fā)送器件地址和寫數(shù)據(jù)命令，沒有應(yīng)答則再次發(fā)送器件地址，收到后開始發(fā)送要進(jìn)行的操作命令字節(jié)，再次接收應(yīng)答信號，沒有收到，全部重發(fā)進(jìn)行前面的兩次操作。接著從器件連續(xù)向主機(jī)發(fā)送要讀取的字和錯誤信息碼，單片機(jī)每收到一個字節(jié)，則發(fā)送一個應(yīng)答信號給從器件。

2.3.2 總線寫器件格式

由于MLX90614的RAM是只讀的，故只能向EEPROM某些單元地址中寫數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

寫MLX90614時，主機(jī)每發(fā)送完一個字節(jié)，開始查詢應(yīng)答信號，當(dāng)出現(xiàn)如何一次沒有收到應(yīng)答信號情況，都要重新開始發(fā)送。

3 對溫度的計算方法

3.1 溫度上下限值算法

溫度傳感器中的EEPROM存儲單元，地址為000H～01FH，地址單元通過SMBus讀取，期中部分地址單元的內(nèi)容，用戶可以改寫。地址000H和001H分別用來寫入測量溫度范圍的上下限值，002H為PWM設(shè)定，003H為環(huán)境溫度設(shè)定，01CH-01FH為ID地址。EEPROM中，寫入溫度上下限值的算法相同[1]，則：

（1）

假設(shè)溫度值 ℃，帶入式（1）中，得：

此值即為將要寫入對應(yīng)地址單元中的數(shù)據(jù)。

3.2 模擬溫度的算法

從SMBus總線上讀取某個MLX90614的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，換算為十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)的方法為：

（2）

假設(shè)=0x35AC，帶入式（2）中，得：

℃

此值即為測得的溫度值。

3.3 溫度轉(zhuǎn)換子程序

從MLX90614讀出的數(shù)據(jù)，被轉(zhuǎn)換為溫度并顯示出來。當(dāng)溫度為正值時，即當(dāng)值大于27315時，為正溫度或0；小于27315時，為負(fù)的溫度值。以顯示正溫度值的函數(shù)為利，在液晶屏上寫數(shù)據(jù)時，對應(yīng)各個顯示位的溫度值顯示方法，部分函數(shù)如下：

4 結(jié)論

該研究具有較好的實用價值，不僅在煤礦皮帶運(yùn)煤過程中監(jiān)控溫度，也可用于其他非接觸測溫場所，如體溫、食品、化學(xué)藥劑等場合。測試多個點的場合，只需要增加紅外測溫芯片即可，CPU的數(shù)據(jù)端口無需另外增加。不足之處，隨著溫度范圍的增加，精確度有所降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭鋒，王巧芝，李英建，等.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全[M].中國鐵道出版社.

[2] 曾德志.MLX90614系列紅外線測溫模塊的原理及應(yīng)用[J].電信技術(shù)，2003（4）.

[3] 李紅玲，舒乃秋，曾喜聞.雙口RAM器件IDT7005在標(biāo)準(zhǔn)源中的應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2006（8）.

[4] 韓豐田，高鐘毓，王永梁.ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設(shè)計及應(yīng)用[J].電測與儀表，2000（11）.

[5] 宿元斌.基于SMBus總線的智能溫度傳感器MAX6697[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007（4）.endprint

當(dāng)主機(jī)讀MLX90614時，先寫控制碼，在讀數(shù)據(jù)，主機(jī)每發(fā)送完一個字節(jié)開始查詢應(yīng)答信號，再收到一個字節(jié)就給出一個應(yīng)答信號；先向從器件發(fā)送器件地址和寫數(shù)據(jù)命令，沒有應(yīng)答則再次發(fā)送器件地址，收到后開始發(fā)送要進(jìn)行的操作命令字節(jié)，再次接收應(yīng)答信號，沒有收到，全部重發(fā)進(jìn)行前面的兩次操作。接著從器件連續(xù)向主機(jī)發(fā)送要讀取的字和錯誤信息碼，單片機(jī)每收到一個字節(jié)，則發(fā)送一個應(yīng)答信號給從器件。

2.3.2 總線寫器件格式

由于MLX90614的RAM是只讀的，故只能向EEPROM某些單元地址中寫數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

寫MLX90614時，主機(jī)每發(fā)送完一個字節(jié)，開始查詢應(yīng)答信號，當(dāng)出現(xiàn)如何一次沒有收到應(yīng)答信號情況，都要重新開始發(fā)送。

3 對溫度的計算方法

3.1 溫度上下限值算法

溫度傳感器中的EEPROM存儲單元，地址為000H～01FH，地址單元通過SMBus讀取，期中部分地址單元的內(nèi)容，用戶可以改寫。地址000H和001H分別用來寫入測量溫度范圍的上下限值，002H為PWM設(shè)定，003H為環(huán)境溫度設(shè)定，01CH-01FH為ID地址。EEPROM中，寫入溫度上下限值的算法相同[1]，則：

（1）

假設(shè)溫度值 ℃，帶入式（1）中，得：

此值即為將要寫入對應(yīng)地址單元中的數(shù)據(jù)。

3.2 模擬溫度的算法

從SMBus總線上讀取某個MLX90614的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，換算為十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)的方法為：

（2）

假設(shè)=0x35AC，帶入式（2）中，得：

℃

此值即為測得的溫度值。

3.3 溫度轉(zhuǎn)換子程序

從MLX90614讀出的數(shù)據(jù)，被轉(zhuǎn)換為溫度并顯示出來。當(dāng)溫度為正值時，即當(dāng)值大于27315時，為正溫度或0；小于27315時，為負(fù)的溫度值。以顯示正溫度值的函數(shù)為利，在液晶屏上寫數(shù)據(jù)時，對應(yīng)各個顯示位的溫度值顯示方法，部分函數(shù)如下：

4 結(jié)論

該研究具有較好的實用價值，不僅在煤礦皮帶運(yùn)煤過程中監(jiān)控溫度，也可用于其他非接觸測溫場所，如體溫、食品、化學(xué)藥劑等場合。測試多個點的場合，只需要增加紅外測溫芯片即可，CPU的數(shù)據(jù)端口無需另外增加。不足之處，隨著溫度范圍的增加，精確度有所降低。

參考文獻(xiàn)

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[3] 李紅玲，舒乃秋，曾喜聞.雙口RAM器件IDT7005在標(biāo)準(zhǔn)源中的應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2006（8）.

[4] 韓豐田，高鐘毓，王永梁.ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設(shè)計及應(yīng)用[J].電測與儀表，2000（11）.

[5] 宿元斌.基于SMBus總線的智能溫度傳感器MAX6697[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007（4）.endprint

當(dāng)主機(jī)讀MLX90614時，先寫控制碼，在讀數(shù)據(jù)，主機(jī)每發(fā)送完一個字節(jié)開始查詢應(yīng)答信號，再收到一個字節(jié)就給出一個應(yīng)答信號；先向從器件發(fā)送器件地址和寫數(shù)據(jù)命令，沒有應(yīng)答則再次發(fā)送器件地址，收到后開始發(fā)送要進(jìn)行的操作命令字節(jié)，再次接收應(yīng)答信號，沒有收到，全部重發(fā)進(jìn)行前面的兩次操作。接著從器件連續(xù)向主機(jī)發(fā)送要讀取的字和錯誤信息碼，單片機(jī)每收到一個字節(jié)，則發(fā)送一個應(yīng)答信號給從器件。

2.3.2 總線寫器件格式

由于MLX90614的RAM是只讀的，故只能向EEPROM某些單元地址中寫數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

寫MLX90614時，主機(jī)每發(fā)送完一個字節(jié)，開始查詢應(yīng)答信號，當(dāng)出現(xiàn)如何一次沒有收到應(yīng)答信號情況，都要重新開始發(fā)送。

3 對溫度的計算方法

3.1 溫度上下限值算法

溫度傳感器中的EEPROM存儲單元，地址為000H～01FH，地址單元通過SMBus讀取，期中部分地址單元的內(nèi)容，用戶可以改寫。地址000H和001H分別用來寫入測量溫度范圍的上下限值，002H為PWM設(shè)定，003H為環(huán)境溫度設(shè)定，01CH-01FH為ID地址。EEPROM中，寫入溫度上下限值的算法相同[1]，則：

（1）

假設(shè)溫度值 ℃，帶入式（1）中，得：

此值即為將要寫入對應(yīng)地址單元中的數(shù)據(jù)。

3.2 模擬溫度的算法

從SMBus總線上讀取某個MLX90614的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，換算為十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)的方法為：

（2）

假設(shè)=0x35AC，帶入式（2）中，得：

℃

此值即為測得的溫度值。

3.3 溫度轉(zhuǎn)換子程序

從MLX90614讀出的數(shù)據(jù)，被轉(zhuǎn)換為溫度并顯示出來。當(dāng)溫度為正值時，即當(dāng)值大于27315時，為正溫度或0；小于27315時，為負(fù)的溫度值。以顯示正溫度值的函數(shù)為利，在液晶屏上寫數(shù)據(jù)時，對應(yīng)各個顯示位的溫度值顯示方法，部分函數(shù)如下：

4 結(jié)論

該研究具有較好的實用價值，不僅在煤礦皮帶運(yùn)煤過程中監(jiān)控溫度，也可用于其他非接觸測溫場所，如體溫、食品、化學(xué)藥劑等場合。測試多個點的場合，只需要增加紅外測溫芯片即可，CPU的數(shù)據(jù)端口無需另外增加。不足之處，隨著溫度范圍的增加，精確度有所降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭鋒，王巧芝，李英建，等.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全[M].中國鐵道出版社.

[2] 曾德志.MLX90614系列紅外線測溫模塊的原理及應(yīng)用[J].電信技術(shù)，2003（4）.

[3] 李紅玲，舒乃秋，曾喜聞.雙口RAM器件IDT7005在標(biāo)準(zhǔn)源中的應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2006（8）.

[4] 韓豐田，高鐘毓，王永梁.ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設(shè)計及應(yīng)用[J].電測與儀表，2000（11）.

[5] 宿元斌.基于SMBus總線的智能溫度傳感器MAX6697[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007（4）.endprint