基于單線技術(shù)的電源檢測系統(tǒng)

董鵬琳 羅胤 張德平

摘 要：電子設(shè)備系統(tǒng)時(shí)常要進(jìn)行電源檢測，判斷電源好壞，但較大系統(tǒng)的電源種類較多，并且分布在各分機(jī)，距離比較遠(yuǎn)，統(tǒng)一引線到檢測電路板需要大量的導(dǎo)線，增加了分機(jī)間連接的復(fù)雜度。針對(duì)存在的問題，本文提出了一種解決方法。采用單總線（One-Wire）芯片，使用單根導(dǎo)線連接各分機(jī)，運(yùn)用NXP單片機(jī)通過這根導(dǎo)線把各分機(jī)的電源檢測結(jié)果統(tǒng)一送回單片機(jī)，由單片機(jī)通過RS-232串行總線傳送到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。

關(guān)鍵詞：電源檢測;單線協(xié)議;NXP單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）19-0040-04

Abstract： Electronic equipment system often have to power detection， to determine the power is good or bad， but the larger system has kinds of power types， and distributed in the extension， the distance is far， uniform lead to the detection circuit board requires a large number of wires， increase the complexity of the connection between devices. Based on this consideration， this paper presents a solution： use the one-wire protocol chip， use a single wire to connect the devices， and the NXP microcontroller through the wire to obtain the power test results and through the RS-232 serial bus to send it to the host computer to display.

Keywords： power detection;one-wire protocol;NXP microcontroller

大型工廠或者復(fù)雜電子設(shè)備系統(tǒng)中電源種類較多（正電源、負(fù)電源以及電壓數(shù)值多樣化），并且分布在各分機(jī)。大部分分機(jī)相互之間距離又比較遠(yuǎn)[1]，若一一引線到電源檢測模塊則需要大量導(dǎo)線，增加了分機(jī)間連接的復(fù)雜度?；诖?，研究者提出采用單總線協(xié)議芯片，在單線接入點(diǎn)設(shè)計(jì)電源檢測電路，使用單根導(dǎo)線連接各分機(jī)，運(yùn)用NXP單片機(jī)通過這根導(dǎo)線把各分機(jī)的電源檢測結(jié)果（電源正常、電壓高、電壓低、連接故障）通過串口轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

1 總體方案設(shè)計(jì)

研究者確立了以NXP LPC922單片機(jī)芯片與美國達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的DS2408開關(guān)控制芯片為核心芯片的方案，原理如圖1所示。

使用LPC922單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)，只需接好芯片的接地引腳與電源引腳。LPC922有自己的內(nèi)部復(fù)位系統(tǒng)與晶振系統(tǒng)。DS2408是8通道可尋址開關(guān)，由單線協(xié)議來控制?？偩€上，DS2408按照單線協(xié)議進(jìn)行通信，有8個(gè)PIO管腳。通過上位機(jī)向DS2408發(fā)送指令來控制其開與關(guān)，當(dāng)它“開”時(shí)，就接收來自電源檢測部分的電壓狀態(tài)信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字式。MAX900芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的高速、低功耗比較器。

2 基于單線協(xié)議的電源檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)部分

單片機(jī)最小系統(tǒng)部分電路采用LPC922芯片作為控制系統(tǒng)的核心，晶振電路采用LPC922芯片內(nèi)部的晶振源，復(fù)位電路也采用其內(nèi)部復(fù)位方式。LPC922芯片供電電壓是2.4～3.6 V，可以有適當(dāng)?shù)娜莶?。由于外部電源供電電壓? V，因此在這部分硬件電路中使用了一個(gè)開啟電壓為1.8 V的LED接在5 V電壓與單片機(jī)VDD管腳之間，使VDD引腳的輸入電壓為3.3 V。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行接口電路采用MAX232芯片進(jìn)行連接。LPC922芯片的電源引腳對(duì)地加了1個(gè)100 nF的濾波電容，防止經(jīng)電源線進(jìn)來的高頻串?dāng)_。MAX232芯片的RXD、TXD引腳各串了一個(gè)100 Ω的電阻，防止從LPC922芯片出來的電流過大損壞MAX232芯片。LPC922芯片與DS2408芯片的連接是通過單總線進(jìn)行的，單總線從LPC922芯片的任何一個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口引出都可以。本設(shè)計(jì)采用P0口（LPC922芯片的引腳20），電路如圖2所示。

2.2 單線芯片及其外圍電路設(shè)計(jì)

DS2408是一款8通道可編程漏極輸出I/O可尋址開關(guān)。因?yàn)長PC922芯片的工作電壓是3 V，若對(duì)DS2408采用寄生電源供電，則必然要在DS2408的I/O口外接一個(gè)上拉電阻（1～10 kΩ），把電壓上拉到5 V，這對(duì)PIO的邏輯狀態(tài)是有影響的，所以對(duì)DS2408采用外接電源供電的方式。DS2408采用的是標(biāo)準(zhǔn)通信速率，故其單線接口的上拉電阻設(shè)定為2.2 kΩ。每片DS2408都有一個(gè)單總線數(shù)據(jù)接口，單片機(jī)通過向它發(fā)送控制命令來控制其每個(gè)通道的開與關(guān)。每一片DS2408都有8個(gè)PIO管腳（P0～P7），用于接收來自MAX900的TTL電平（晶體管-晶體管邏輯電平），以便芯片對(duì)這些TTL電平進(jìn)行處理。電路如圖3所示。

2.3 電源檢測電路設(shè)計(jì)

用00、01、10、11表示電源狀態(tài)。系統(tǒng)外的8路電源通過與電壓比較器的基準(zhǔn)源進(jìn)行比較得到高、低TTL電平。DS2408對(duì)這些TTL電平進(jìn)行數(shù)字化處理，然后傳送給單片機(jī)芯片，再由單片機(jī)通過串口傳送到計(jì)算機(jī)上顯示。當(dāng)連接出現(xiàn)問題時(shí)，DS2408得到的TTL電平必定是低電平，也就是“00”狀態(tài)，故用“11”狀態(tài)表示電源的正常狀態(tài)。電源檢測電路的原理如圖4所示，所有引入的電源電壓都通過電位器來調(diào)整到合適的電壓值，以便檢測。在測試時(shí)可以調(diào)節(jié)電位器的阻值。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序主要包括單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信程序、單總線通信程序以及上位機(jī)（PC機(jī)）可視化界面程序。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)控制器軟件采用高效簡潔的C51語言編寫ISP駐留代碼，編譯后通過LPC922的串口將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)芯片中。單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信使用VB實(shí)現(xiàn)。MSComm控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性，提供了對(duì)串口的各種操作。本設(shè)計(jì)中采用MSComm控件編寫單片機(jī)與上位機(jī)的串口通信程序。

每片DS2408內(nèi)均有唯一的64位序列號(hào)，最低的8位是產(chǎn)品代碼，其后48位是器件的序列號(hào)，最后的8位是前56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。只有獲得這些序列號(hào)，才可能對(duì)其進(jìn)行操作。

操作DS2408必須嚴(yán)格遵守單線協(xié)議，一般有以下4個(gè)過程[2]：①初始化信號(hào);②傳送ROM操作命令;③傳送RAM操作命令;④數(shù)據(jù)交換。設(shè)計(jì)中應(yīng)該保證指令的執(zhí)行時(shí)間小于或者等于單總線上時(shí)序信號(hào)中的最小時(shí)間。操作過程如圖5所示。

DS2408與LPC922的通信軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

軟件框架采用主程序加中斷調(diào)用方式，以提高功能模塊的內(nèi)聚性[3]。軟件與兩個(gè)中斷相關(guān)：①串行通信中斷，負(fù)責(zé)RS-232串口數(shù)據(jù)傳輸;②接收來自DS2408的數(shù)據(jù)的外部中斷，處理來自單線接口數(shù)據(jù)通信的各種事件。主程序在完成全部初始化后進(jìn)入死循環(huán)的狀態(tài)，等待這兩個(gè)中斷的發(fā)生，如圖7所示。

4 系統(tǒng)測試

上電后，用手摸一下芯片是否急劇發(fā)熱，若是，則立即關(guān)掉電源，排除虛焊短路等問題后再次進(jìn)行檢測;測試芯片的供電電壓與接地端是否都達(dá)到要求，檢測所用的儀器為萬用表[4-5];燒寫代碼，各子程序模塊調(diào)試通過之后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。如圖8所示的計(jì)算機(jī)界面用來顯示電源故障狀態(tài)數(shù)據(jù)。聯(lián)調(diào)成功后，在本界面上用鼠標(biāo)單擊“查詢”按鈕，就可以實(shí)時(shí)顯示每一路電源的狀態(tài)，如圖9所示。

5 結(jié)語

本文針對(duì)大型工廠或者復(fù)雜電子電器系統(tǒng)中多路電源檢測存在的問題，提出了基于單線協(xié)議的電源狀態(tài)檢測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)思路與整體系統(tǒng)框架。在只用一根導(dǎo)線的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)8路不同種類的電源實(shí)時(shí)檢測，并在計(jì)算機(jī)終端顯控界面上將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來，有效解決了常規(guī)多路多種類電源檢測系統(tǒng)到處拉線、線路混雜混亂的問題。

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