基于SMBus的雙CPU運煤滾軸溫度檢測的應用研究

王亞林　郭文慧　查文華

摘 要：監控煤礦運煤皮帶與滾動軸之間的摩擦溫度。利用雙CPU實現高速數據交換和處理，將主控和數據處理等功能分開執行。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作為共享數據存儲器，兩個端口有兩套完全獨立的控制總線、地址總線和I/O數據總線，可獨立讀/寫任意地址單元，兩個CPU共享該存儲器，提高了系統的數據傳輸速率。

關鍵詞：MLX90614 雙端口RAM 雙CPU 溫度監控

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

礦井皮帶機運煤過程中，皮帶與滾軸摩擦容易溫度升高，造成了火災隱患。設計溫度監控，及時觀察溫度異常，并做出防范措施。如果利用接觸式測溫，響應時間長，也受環境影響大；而利用紅外測溫，避免了與物體接觸，響應速度快，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，可實時監控溫度異常位置；紅外測溫模塊的數據輸出方式以系統管理總線（SMBus）輸出，可以和多個設備互傳信息，避免了使用獨立的控制線路，也避免了在無法響應及處理串行中斷時，發生數據丟失或者錯誤等問題。利用雙CPU進行高速數據交換和處理，一個用于實現系統的主控制功能，另一個則完成數據傳送、數據處理等功能[1]。

1 硬件結構框圖

硬件結構框圖的具體功能如下：

（1）接收、處理皮帶運行中的溫度狀況，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）能對溫度參數設置和監控。

主控制器是整個測溫系統的核心，保證整個系統的穩定運行，在極短時間內對系統所有任務進行響應，并加入LCD顯示溫度參數等。實現了多任務管理、數據通信、處理、安全監測及實時響應的功能。溫度監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系統、觀點探測器、信號放大器、信號處理器及輸出等部分組成。當光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置決定。紅外光聚集在光電探測器上并轉變為相應的電信號，該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

紅外溫度傳感器MLX90614AA，其工作電壓為5 V，是單區域測溫；內部聚集了低噪聲放大、17位A/D轉換、可編程FIR和IIR濾波、線性化和補償性等幾大功能；感測的熱量由傳感器內部的熱電偶電壓表征，利用芯片EEPROM中存儲的生產廠設定的校準參數，計算出物體上下限溫度，標注校準參數后，精度可達0.2 ℃，被數字化處理后保持在內部RAM中，需要時經通過SMBus方式讀取；最終測量結果經數字式脈沖寬度調制后，以PWM方式輸出。可測溫度范圍在-60 ℃～+350 ℃，滿足皮帶機溫度升高時，完成報警功能。多個MLX90614可以用于一個系統中，各自對應一個不同地址，訪問不同的地址即可訪問對應的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

皮帶機運煤過程中，當滾軸溫度異常升高時，能及時高速采集到溫度信息并進行處理，是考慮的關鍵因素之一。利用雙端口RAM作為數據存儲器，以數據共享方式進行傳送，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數據總線，允許兩個F020同時訪問存儲器，可獨立讀/寫任意地址單元，提高了系統或模塊間數據傳輸速率，可靠性好，實現簡單，解決了競爭問題，訪問時間最大只有幾十ns，最快存取時間達到15 ns，無需插入等待[3]。IDT700d雙端口RAM其結構如圖3所示。

2.2.1 旗語邏輯仲裁控制電路

RAM片內的仲裁電路，能解決數據通信中的競爭問題，通過對優先級高的端口進行讀寫操作，另一端口延遲等待，當前者完成讀寫操作后，被延遲端口就可以繼續工作了。IDT7005內部有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RAM只允許一個CPU對其分配的數據塊進行讀寫操作，避免了地址沖突。旗語邏輯電路如圖4所示。

使用過程中，應該為低電平，～用于8個旗語邏輯電路尋址，數據線用于旗語邏輯電路狀態的寫入和讀出。將IDT7005劃分為高地位兩個4K存儲區，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。當1號端口要對低位存儲區操作，則先向旗語電路0寫入“0”，再讀入旗語狀態，若讀入值為“1”，表示2號端口在操作該地區；反之為1號端口在操作低位區。當2號口正在操作該低位存儲區時，1號端口可以通過循環查詢旗語狀態的方式來等待2號端口釋放RAM的使用權。

2.3 SMBus總線介紹

MLX90614數據的輸出方式以系統管理總線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；一線實現系統和電源管理任務，另一線和其他設備通信。MLX90614的數據傳輸時序為：數據在SCL的上升沿被捕獲，16位數據分兩次傳輸，每次傳輸一個字節，每個字節都是按照高溫（MSB）在前，低位（LSB）在后的方式傳輸，字節中間的第9個時鐘是應答時鐘[4]。

2.3.1 總線讀器件格式

讀EEPROM還是RAM的數據，由命令決定，讀數據格式如圖5所示。endprint

當主機讀MLX90614時，先寫控制碼，在讀數據，主機每發送完一個字節開始查詢應答信號，再收到一個字節就給出一個應答信號；先向從器件發送器件地址和寫數據命令，沒有應答則再次發送器件地址，收到后開始發送要進行的操作命令字節，再次接收應答信號，沒有收到，全部重發進行前面的兩次操作。接著從器件連續向主機發送要讀取的字和錯誤信息碼，單片機每收到一個字節，則發送一個應答信號給從器件。

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據，寫數據格式如圖6所示。

寫MLX90614時，主機每發送完一個字節，開始查詢應答信號，當出現如何一次沒有收到應答信號情況，都要重新開始發送。

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設定，003H為環境溫度設定，01CH-01FH為ID地址。EEPROM中，寫入溫度上下限值的算法相同[1]，則：

（1）

假設溫度值 ℃，帶入式（1）中，得：

此值即為將要寫入對應地址單元中的數據。

3.2 模擬溫度的算法

從SMBus總線上讀取某個MLX90614的16進制數據，換算為十進制溫度數據的方法為：

（2）

假設=0x35AC，帶入式（2）中，得：

℃

此值即為測得的溫度值。

3.3 溫度轉換子程序

從MLX90614讀出的數據，被轉換為溫度并顯示出來。當溫度為正值時，即當值大于27315時，為正溫度或0；小于27315時，為負的溫度值。以顯示正溫度值的函數為利，在液晶屏上寫數據時，對應各個顯示位的溫度值顯示方法，部分函數如下：

4 結論

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

參考文獻

[1] 鄭鋒，王巧芝，李英建，等.51單片機應用系統典型模塊開發大全[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用[J].電信技術，2003（4）.

[3] 李紅玲，舒乃秋，曾喜聞.雙口RAM器件IDT7005在標準源中的應用[J].國外電子測量技術，2006（8）.

[4] 韓豐田，高鐘毓，王永梁.ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設計及應用[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].機械管理開發，2007（4）.endprint

當主機讀MLX90614時，先寫控制碼，在讀數據，主機每發送完一個字節開始查詢應答信號，再收到一個字節就給出一個應答信號；先向從器件發送器件地址和寫數據命令，沒有應答則再次發送器件地址，收到后開始發送要進行的操作命令字節，再次接收應答信號，沒有收到，全部重發進行前面的兩次操作。接著從器件連續向主機發送要讀取的字和錯誤信息碼，單片機每收到一個字節，則發送一個應答信號給從器件。

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據，寫數據格式如圖6所示。

寫MLX90614時，主機每發送完一個字節，開始查詢應答信號，當出現如何一次沒有收到應答信號情況，都要重新開始發送。

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設定，003H為環境溫度設定，01CH-01FH為ID地址。EEPROM中，寫入溫度上下限值的算法相同[1]，則：

（1）

假設溫度值 ℃，帶入式（1）中，得：

此值即為將要寫入對應地址單元中的數據。

3.2 模擬溫度的算法

從SMBus總線上讀取某個MLX90614的16進制數據，換算為十進制溫度數據的方法為：

（2）

假設=0x35AC，帶入式（2）中，得：

℃

此值即為測得的溫度值。

3.3 溫度轉換子程序

從MLX90614讀出的數據，被轉換為溫度并顯示出來。當溫度為正值時，即當值大于27315時，為正溫度或0；小于27315時，為負的溫度值。以顯示正溫度值的函數為利，在液晶屏上寫數據時，對應各個顯示位的溫度值顯示方法，部分函數如下：

4 結論

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

參考文獻

[1] 鄭鋒，王巧芝，李英建，等.51單片機應用系統典型模塊開發大全[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用[J].電信技術，2003（4）.

[3] 李紅玲，舒乃秋，曾喜聞.雙口RAM器件IDT7005在標準源中的應用[J].國外電子測量技術，2006（8）.

[4] 韓豐田，高鐘毓，王永梁.ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設計及應用[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].機械管理開發，2007（4）.endprint

當主機讀MLX90614時，先寫控制碼，在讀數據，主機每發送完一個字節開始查詢應答信號，再收到一個字節就給出一個應答信號；先向從器件發送器件地址和寫數據命令，沒有應答則再次發送器件地址，收到后開始發送要進行的操作命令字節，再次接收應答信號，沒有收到，全部重發進行前面的兩次操作。接著從器件連續向主機發送要讀取的字和錯誤信息碼，單片機每收到一個字節，則發送一個應答信號給從器件。

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據，寫數據格式如圖6所示。

寫MLX90614時，主機每發送完一個字節，開始查詢應答信號，當出現如何一次沒有收到應答信號情況，都要重新開始發送。

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設定，003H為環境溫度設定，01CH-01FH為ID地址。EEPROM中，寫入溫度上下限值的算法相同[1]，則：

（1）

假設溫度值 ℃，帶入式（1）中，得：

此值即為將要寫入對應地址單元中的數據。

3.2 模擬溫度的算法

從SMBus總線上讀取某個MLX90614的16進制數據，換算為十進制溫度數據的方法為：

（2）

假設=0x35AC，帶入式（2）中，得：

℃

此值即為測得的溫度值。

3.3 溫度轉換子程序

從MLX90614讀出的數據，被轉換為溫度并顯示出來。當溫度為正值時，即當值大于27315時，為正溫度或0；小于27315時，為負的溫度值。以顯示正溫度值的函數為利，在液晶屏上寫數據時，對應各個顯示位的溫度值顯示方法，部分函數如下：

4 結論

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

參考文獻

[1] 鄭鋒，王巧芝，李英建，等.51單片機應用系統典型模塊開發大全[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用[J].電信技術，2003（4）.

[3] 李紅玲，舒乃秋，曾喜聞.雙口RAM器件IDT7005在標準源中的應用[J].國外電子測量技術，2006（8）.

[4] 韓豐田，高鐘毓，王永梁.ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設計及應用[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].機械管理開發，2007（4）.endprint