基于RS-485、1-Wire總線的遠程多點溫度采集系統解決方案

段 波

（昆明冶金高等專科學校，昆明 650102）

0 引言

遠程多點溫度測量在糧食倉儲、食品加工、藥品制造等領域有著廣泛應用。RS-485是工業界使用最為廣泛的雙向、平衡傳輸線標準接口，它以半雙工方式通信，支持多點連接，具有傳輸距離遠，傳輸速率快等優點，便于組建成本低廉、可靠性高且分布范圍較大的局域總線網絡；1-Wire總線技術具有節省I/O資源、結構簡單、成本低廉，便于總線擴展和方便維護等特點。這里，結合某一工程項目的實際特點，給出了采用RS-485、1-Wire總線技術實現遠程多點溫度采集系統解決方案。

1 主要技術簡介

1.1 RS-485與MAX13082E

RS－485是一個標準的串行數據通信協議，由美國電氣工業聯合會(EIA)制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點通訊標準。RS-485具有以下特點：

1）它采用差分信號進行傳輸，接收器最小靈敏度可達±200 mV。采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。

2）最大傳輸距離可以達到1.2 km（實際上可達3km）。RS－485協議正是針對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標準。

3）最大可連接128個驅動器和收發器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立設備網絡。

4）RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

MAX13082E是+5.0V供電、具有±15kV ESD保護的RS-485/RS-422收發器，具有一路驅動器和一路接收器，并具有失效保護電路，當接收器輸入開路或短路時接收器確保輸出邏輯高電平。MAX13082E具有熱插拔能力，在上電或熱插入時可以消除總線上的錯誤跳變。MAX13082E可支持256個節點（收發器）。

1.2 1-Wire與DS18B20

1-Wire協議是美國Maxim/Dallas公司開發的一種單線總線協議。系統由一臺主機和若干臺從機通過一條線連接而成。主機由此完成對從機的尋址、控制、數據傳輸甚至供電（如需主機單獨供電，還應加電源線、地線，一般可用一條三芯電線）。主機一般由微控制器（MCU）組成，從機由1-Wire器件構成，每個1-Wire器件內嵌唯一的地址碼，以實現主機對不同從機的尋址。主機可通過各種方式聯入計算機系統。

DS18B20是Dallas公司生產的1-Wire數字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配處理器等優點，特別適用于構成多點溫度測控系統，可直接將溫度轉化成串行數字信號（提供9位二進制數字）給MCU處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片。它具有3引腳TO-92小體積封裝形式，溫度測量范圍為-55～+125℃，可編程為9～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出，其工作電源即可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生，多個DS18B20可以并聯到三根或兩根線上，MCU只需一根端口線就能與多個DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。

2 系統結構

系統由一臺主控計算機、門徑和多個分布位置不同的下位機（AT89S52）組成，如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

下位機通過數字溫度傳感器DS18B20完成各個測溫點的溫度參數采集，下位機和每個DS18B20通過1-Wire總線連接，每臺下位機所連接的DS18B20數量可根據實際需要進行選擇。

門徑（AT89S52）是主控計算機和下位機之間進行信息交換的橋梁，門徑和分布在不同位置的下位機通過RS-485總線構成主-從式結構。門徑通過RS-485總線獲取下位機采集到的溫度信息，然后將溫度信息通過RS-232傳送到主控計算機。

主控計算機將門徑傳送來的溫度信息進行處理（存儲、統計、報表及顯示）。

3 硬件設計

3.1 溫度采集單元

溫度采集單元包括下位機AT89S52、RS-485接口電路、1-Wire數字溫度傳感器接口電路。

3.1.1 RS-485接口電路

系統中，門徑和下位機之間的通信接口芯片選擇的是Maxim公司的MAX13082E，由于MAX13082E可支持256個節點（收發器），且MAX13082E具有熱插拔、±15kV ESD保護及失效保護特性，使得系統在通信接口電路設計上變得簡潔，且便于擴展。當RS-485總線的傳輸距離超過一定的長度時,總線的抗干擾能力就會出現下降,在這種情況下,就要在總線的首尾兩端接120歐姆的終端匹配電阻,以保證總線的穩定性。門徑和下位機之間的通信接口電路原理圖如圖2所示。

圖2 門徑和下位機通信接口原理圖

3.1.2 1-Wire數字溫度傳感器接口電路

在傳統的溫度測量系統設計中,往往采用模擬技術進行設計，這樣就不可避免地遇到諸如引線誤差補償、多點測量中的切換誤差和信號調理電路的誤差等問題，而其中某一環節處理不當，就可能造成整個系統性能的下降。本方案中，溫度測量元件選擇的是1-Wire數字溫度傳感器DSl8B20，采用外部供電方式。每臺下位機通過口線P1.0和3個DSl8B20的數據輸入/輸出引腳DQ連接，接口電路如圖3所示。

圖3 數字溫度傳感器DSl8B20接口電路

3.2 門徑

門徑作為主控計算機和下位機之間進行信息交換的橋梁，它主控計算機之間的通信接口芯片選擇的是Maxim公司的MAX232，接口電路如圖4所示。

圖4 門徑和主控計算機通信接口電路

4 軟件設計

系統軟件設計主要包括主控計算機組態、下位機的溫度采集以及和門徑之間的通信、門徑和主控計算機、下位機的通信。

主控計算機的存儲、統計、報警、報表及顯示等功能由組態軟件ForceControl 6.0實現。

組態軟件是用來完成數據采集與過程控制的專用軟件，它以計算機為基本工具，為實施數據采集、過程監控、生產控制提供了基礎平臺和開發環境。組態軟件功能強大、使用方便，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，并可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，使用組態軟件可以方便、快速地進行系統集成、構造不同需求數據采集與監控系統。主控計算機的組態工作主要有創建工程界面、數據庫、 定義I/O設備及I/O數據連接、動畫連接、編寫動作腳本、建立報表等組態工作。

下位機以及門徑和主控計算機下位機的通信程序采用C語言編寫。其中下位機的主程序實現溫度傳感器網絡的自動搜索、編號排序、獲取溫度信息；中斷服務程序實現和門徑的通信功能。下位機的溫度采集與處理流程如圖5所示。

圖5 下位機溫度采集與處理流程圖

5 結束語

在傳統的溫度測量系統中，往往采用模擬的溫度傳感器進行設計，必須經過A/D轉換后才可以被微處理器識別和處理。這樣的設計方法不僅對前端模擬信號處理電路提出了更高的要求，而且不具有數字通信和網絡功能。本方案采用RS-485總線技術建構的遠程數據傳輸系統，解決了主控計算機與下位機之間的分布式數據傳輸問題；而1-Wire總線技術及選擇數字溫度傳感器DSl8B20則簡化了系統結構，較好地解決了多點溫度采集問題。方案具有安裝方便、數字化程度高、適應性強等特點，在多種溫度檢測中具有廣闊的應用前景。

[1] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社,2009.

[2] 1-Wire File Structure .http://china.maxim-ic.com/appnotes10.cfm/.

[3] MAX13082E技術資料. http://china.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/.