遠(yuǎn)距離溫度信息傳輸穩(wěn)定性研究

Research on the Stability of Remote Temperature Information Transmission

王葉南　陳江華

(西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730030)

遠(yuǎn)距離溫度信息傳輸穩(wěn)定性研究

Research on the Stability of Remote Temperature Information Transmission

王葉南陳江華

(西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州730030)

摘要：數(shù)字式溫度傳感器DS18B20在工農(nóng)業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用。針對DS18B20進(jìn)行遠(yuǎn)距離溫度采集時會出現(xiàn)溫度信息不穩(wěn)定的現(xiàn)象，對DS18B20通信協(xié)議以及溫度信息傳輸?shù)脑磉M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線的分布電容和電磁干擾是影響溫度信號遠(yuǎn)距離傳輸不穩(wěn)定的主要因素。提出了改變導(dǎo)線的上拉阻值和采用屏蔽技術(shù)的解決方案。實(shí)測結(jié)果表明,該解決方案可顯著提高遠(yuǎn)距離溫度采集傳輸?shù)姆€(wěn)定性，進(jìn)而保證溫度采集系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：DS18B20上拉電阻通信協(xié)議溫度采集穩(wěn)定性

Abstract：Although digital temperature sensor DS18B20 has been widely used in industry and agriculture, the unable phenomenon of temperature information occurs when collecting temperature remotely. The communication protocol of DS18B20 and the principle of temperature information transmission are researched. It is found that the distributed capacitance of the wire and electromagnetic interference are the main factors cause the instability. The solution of changing the pull-up resistance of the wire and using shield technology is proposed. The result of practical test indicates that this solution significantly increases the stability of the remote temperature acquisition and transmission, thus ensures the reliability of the temperature acquisition system.

Keywords：DS18B20Pull-up resistorCommunication protocolTemperature collectionStability

0引言

隨著信息自動化技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)距離溫度采集和控制系統(tǒng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品儲藏領(lǐng)域的應(yīng)用更為普遍[1]。如果生產(chǎn)儲藏環(huán)境的溫度得不到穩(wěn)定有效的監(jiān)控，往往會直接導(dǎo)致事故的發(fā)生，造成經(jīng)濟(jì)損失。在數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域內(nèi)，數(shù)字溫度傳感器DS18B20應(yīng)用極其廣泛，但在使用DS18B20進(jìn)行遠(yuǎn)距離溫度采集傳輸過程中，常常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定、誤差較大等問題。針對這些問題，本文通過研究溫度傳感器的工作原理，結(jié)合實(shí)踐，提出了相應(yīng)的解決方案，顯著提高了溫度采集工作的穩(wěn)定性和可靠性。

1溫度信息采集傳輸原理

DS18B20在采集傳輸溫度信號時，采用嚴(yán)格的單總線通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的完整性[2]。該協(xié)議規(guī)定了多個信號脈沖形式：復(fù)位脈沖、寫脈沖和讀脈沖，如圖1所示。DS18B20的所有通信都由初始化序列脈沖開始，初始化序列由主控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖和DS18B20發(fā)出的存在脈沖組成，如圖1(a)所示。主機(jī)在寫時隙向DS18B20寫入數(shù)據(jù)，并在讀時隙從DS18B20讀入數(shù)據(jù)，且在單總線上每個時隙只傳送一位數(shù)據(jù)[2]，如圖1(b)、圖1(c)所示。在通信過程中，每個脈沖形式都必須遵循嚴(yán)格的時序，這樣才能準(zhǔn)確穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)溫度信號的采集與傳輸。

圖1　單總線信號脈沖

2影響溫度信息采集傳輸穩(wěn)定性因素分析

當(dāng)系統(tǒng)采用DS18B20進(jìn)行溫度信息采集時，若導(dǎo)線傳輸溫度信息時不能嚴(yán)格遵循單總線協(xié)議，則DS18B20無法準(zhǔn)確識別溫度信息。這必定造成采集的溫度信息準(zhǔn)確性差、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問題[3]。研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線的分布電容和電磁干擾的存在是導(dǎo)致溫度信息采集傳輸不穩(wěn)定的主要因素。

2.1　導(dǎo)線的分布電容對脈沖信號的干擾

DS18B20與主控制器通過三根導(dǎo)線相連接，當(dāng)三根導(dǎo)線緊密地排列在一起時，這些導(dǎo)線之間不可避免地會產(chǎn)生電容效應(yīng)，如圖2所示。電纜的分布電容主要由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生，數(shù)字信號通過傳輸線時，分布電容會出現(xiàn)充放電過程，引起矩形脈沖的上升沿和下降沿時間延長，造成波形畸變。電容越大或者脈沖信號的頻率越高，畸變越嚴(yán)重。因此，在用DS18B20進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時，要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題[4]。

圖2　導(dǎo)線分布電容等效電路

當(dāng)電纜的長度較短時，導(dǎo)線間的分布電容較小，導(dǎo)線間的容抗較大，對溫度采集不會造成影響。但如果電纜的長度增加到一定程度時，針對微秒級數(shù)據(jù)脈沖信號，其電容值可達(dá)零點(diǎn)幾個微伏級。在溫度采集回路中，分布電容會導(dǎo)致數(shù)據(jù)脈沖信號跳變時間增大，如圖3所示。當(dāng)電纜長度達(dá)到30 m時，跳變的上升沿時間大于7 μs，不符合DS18B20對讀寫時序的要求，因此無法獲得穩(wěn)定準(zhǔn)確的溫度值。

圖3　分布電容造成跳變時間增加

2.2　電磁對導(dǎo)線傳輸信號的干擾

電纜的電磁輻射問題是電子系統(tǒng)工程中最常見的問題之一。由于電纜本身就是一根高效的接收和輻射天線[5]，因此當(dāng)電纜中的導(dǎo)線平行傳輸?shù)木嚯x增長時，導(dǎo)線之間就會存在較大的互電感，這會導(dǎo)致導(dǎo)線之間發(fā)生信號的串?dāng)_。電磁對導(dǎo)線傳輸信號的干擾有兩種：一種是兩根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸，稱為“差模”；另一種是兩根導(dǎo)線作去路，地線作返回路傳輸，這種稱為“共模”[6]。電纜上的差模干擾電流和共模干擾電流可以通過電纜直接進(jìn)入電子設(shè)備的電路模塊，從而干擾電路的穩(wěn)定性。在DS18B20傳感器電路中，主要是“共?！币蛩馗蓴_溫度采集回路中的信號。

3溫度信息傳輸不穩(wěn)定解決方案

3.1　調(diào)整上拉電阻阻值

不同傳輸線的容抗相差很大，估算信號畸變的允許程度和容抗的允許值，合理布線，可減少容抗。電纜中的容抗干擾造成脈沖信號延誤變形，使得主控制器和DS18B20間的通信不能嚴(yán)格遵循單總線協(xié)議。DS18B20上拉電阻R的阻值是一個極其重要的參數(shù)，它的作用是加快上升沿、增加數(shù)據(jù)線的電流，其阻值的大小直接影響著讀寫時序中上升沿的快慢[7]。

當(dāng)采用較長的導(dǎo)線來連接DS18B20時，導(dǎo)線上的電阻變大，上拉電阻相應(yīng)減小。因此，增大上拉能力，使信號符合DS18B20的讀寫時序[8]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，當(dāng)導(dǎo)線長度從10 m逐漸增加到100 m時，上拉電阻由參考值4.7 kΩ逐漸減小，必須增大上拉能力，才能使脈沖信號正常，溫度值穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)硬件設(shè)計時，根據(jù)距離長度不同，可以通過使用相應(yīng)的上拉電阻來獲得穩(wěn)定的溫度信號。

表1　試驗(yàn)測試結(jié)果

3.2　消除電磁干擾

消除電磁干擾的方法有多種，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需求不同靈活采用。最為有效的方法是利用屏蔽技術(shù)減少電磁干擾[9]。為有效地抑制電磁的輻射及高次諧波引發(fā)的噪聲電流，在長距離采集溫度信號時，導(dǎo)線需要采用雙屏蔽或單屏蔽的雙絞線，且屏蔽層應(yīng)盡可能靠地[7]。除了利用屏蔽技術(shù)，還利用布線技術(shù)改善電磁對信號的干擾。DS18B20信號線應(yīng)獨(dú)立于其他電

纜走線，同時應(yīng)避免信號線與其他電纜長距離平行走線，以減少脈沖信號快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。控制導(dǎo)線和電源線交叉時，應(yīng)盡可能使它們按 90°角交叉[10]。這些措施能最大程度地減少由導(dǎo)線產(chǎn)生的干擾信號，從而獲得穩(wěn)定的溫度數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

本文研究了影響DS18B20通信協(xié)議的兩個主要因素:導(dǎo)線的分布電容和電磁干擾。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用調(diào)整上拉電阻和使用屏蔽線的措施，使DS18B20溫度采集范圍大大提高，保證溫度采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方案已應(yīng)用于西北地區(qū)馬鈴薯貯藏窖的溫控系統(tǒng)中，改善了遠(yuǎn)距離傳輸溫度信息的不穩(wěn)定性，達(dá)到了良好的測量與傳輸溫度信息的效果。

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中圖分類號：TP216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507023

修改稿收到日期：2014-10-22。

第一作者王葉南(1984-)，女，2010年畢業(yè)于電子科技大學(xué)通信與系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事于通信電子線路和單片機(jī)原理的教學(xué)與科研工作。