一线总线技术在冻结温度监测中的应用研究

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通过分析DS18B20的感温原理及一线总线的驱动原理，设计出了一个具有适当下拉及上拉速率的驱动电路，延长了一线总线测温传输距离，消除了终端反射影响，实现了利用DS18B20进行温度自动监测，为冻结施工中的温度监测提供了一种有效的在线测量方法。

【关键词】DS18B20 一线总线 驱动电路 冻结温度监测

目前冻结施工中温度监测基本上都使用一线总线温度传感器作为感温元件进行监测。一线总线（1-Wire Bus）技术采用一根信号线即能传输时钟又能传输数据，同时还可用于能量传输，并且数据传输是双向的。其线路简单、硬件开销少、成本低廉、便于总线的扩展和维护等方面有着无可比拟的优势。一线总线温度传感器以DS18B20应用最为广泛。

1 一线总线器件-DS18B20

DS18B20是美国DALLS公司继DS1820之后推出的增强型一线总线数字温度传感器。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来更方便的使用和更令人满意的效果，独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，在使用中不需要任何外围元件。

1.1 DS18B20的性能特点

（1）测温范围：-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃。

（2）可编程的分辨率为9位～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。

（3）12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为，支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在一起，实现多点测温，但数量过多会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

（4）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

1.2 DS18B20温度传感原理

DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术，其测量电路框图如图1所示。内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为-55℃时的值，如果计数器到达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55℃。同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。温度表示值为9-12bit，高位为符号位。

2 一线总线驱动分析

一线总线通讯总是起始于主机驱动将一线总线由逻辑1拉至逻辑0，这个1至0的转换是所有一线总线通讯的同步边沿。适当情况下，一线器件将持有这一0信号，在主机与从机释放一线总线后，上拉电阻将把一线总线恢复至电源电压。在用于识别总线器件的ROM搜索命令中，一线通讯中最为关键的是读时隙，特别是在读1时。按通常情况考虑，假设在一线总线上任意分布着若干个一线总线器件，由于每个一线总线器件在总线上所处的位置不同，由主动者产生的下降沿到达一线总线上每个一线总线器件的时间会有微小的差别，而总线上的每个一线总线器件会对主动者的响应在时间上也有所不同，也是分散的。由于通讯信号需要在一线总线支持的整条电缆长度上传输一个来回，因而一线总线的长度必须小于一个数据位槽时间间隔的一半所对应的电气距离，如果电缆长度一旦超出这一范围，电缆上所连接的一线总线器件将不会被主动者识别，也就无法实现数据的传输，无法实现温度监测。如果一线总线的跳变时间小于信号在电缆上一个来回传播的时间，一线总线形网络将工作在只有一个传输线的工作环境中，来自一线总线终端的反射将会破坏一线总线的通讯。为了有效地消除一线总线终端反射，通常的做法是在一线总线电缆的终端接上一个与其特性阻抗相匹配的电阻，用以吸收一线总线终端反射能量，常用的特性阻抗约为100Ω。如果在一线总线终端连接一个100Ω左右的匹配电阻，就无法找到一个合适的上拉电阻使一线总线上升到逻辑1的电平。而采用阻容串联的交流终端阻抗匹配同样可以消除一线总线终端反射，所串联的电容充电后，阻止直流电流从一线总线终端返回，一线总线终端就相当于开路，所连接的电阻就不产生负载作用，在一线总线状态进行切换时，所联接电容又表现为短路，电阻跨接于终端起到了阻抗匹配作用。

3 驱动电路原理设计

一线总线所支持的电缆长度最主要的取决一线总线的驱动能力，根据对一线总线的驱动性能分析，设计出如下的一线总线驱动电路。驱动电路图如图所示，该驱动电路主要由三部分组成：即由T1、R1、C1、R5组成驱动电路中的下拉驱动；由T2、R2、C2、R6组成上拉驱动；由T3、R7、C4组成的强力驱动。通过上拉驱动与下拉驱动实现对一线总线器件的读写功能。所设计的驱动电路无论在什么时间点上，三个场效应管最多只能有一个导通，在不产生通讯时即休眠状态时，三个场效应管均不导通。强力上拉驱动的设置是考虑当不为一线总线器件提供单独的电源线时所设。通过这个设计可以不单独为一线总线器件设置电源线，节省一条连接线。假设在强力上拉端出现了一个负脉冲时，T3管的导通将把数据线拉至高电平，这一状态将用于在对一线器件执行命令的间隙对一线器件的后备电容供电。这样在命令执行时，保证一线器件有足够的能量对主动者的命令做出响应。如图2所示。

4 冻结温度监测系统构建

冻结温度监测主要是针对冻结温度场与冻结站的工作状况监测，是冻结监测系统的核心内容。测温孔内纵向温度监测在冻结施工中占有举足轻重的地位，测温孔内需要有尽可能多的测点，采用一线的监测方式更具优势，但也面临着要求线缆更长、测点更多的问题。冻结器回水的温度监测也是冻结施工主要的温度监测内容之一，其作用是比较各冻结器的进回水温度差，从而推断具体冻结器循环情况。在冻结器进回水温度监测中，具有较长分支的测温电缆容易在沟槽中布置，实践中常将分支的长度确定为1.2～1.5米之间。

5 现场应用

所设计温度监测系统配合自主开发的软件系统就能实现冻结施工中的温度监测。李家坝煤矿位于银川盐池县，采用冻结法施工，下图为采用DS18B20为传感器所设计的温度监测系统测得的数据。如图3所示。

通过实践证明，利用DS18B20作为温度传感器，所设计的温度监测系统主要解决了冻结施工中的温度监测，其测量精度满足施工要求，在今后的冻结法施工中，温度监测仍是不可或缺的，所设计的监测系统完全能满足监测要求，因此该监测系统一定会在今后的施工中得到更为广泛的应用，同时也会更加完善。

参考文献

[1]翟延忠，张秀萍.地层冻结监测系统[J].矿井建设现代技术理论与实践，2005.

[2]薛红梅.贾少锐，杨丽.基于一线总线式智能测温监控系统的开发[J].工矿自动化，2007（02）.

[3]翟延忠，赵玉明.深井地层冻结一线总线监测系统的研发[J].煤炭科学技术，2011，39（11）.

作者简介

王涛（1982-）男，北京市人。2012年攻读中国矿业大学（北京）计算机科学与技术专业硕士研究生，主要研究方向为计算机科技技术与软件开发。

作者单位

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 北京市 100083

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