基于多DS18B20传感器阵列的数据采集方法研究_杜光月.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:山东交通学院博士基金项目(BS201902063);山东交通学院教学改革研究项目(2019ZD05);教育部产学合作协同育人项目(202002018029);山东省本科教学改革研究项目面上项目(M2021030)收稿日期:20220420修改日期:20220723esearch on Data Acquisition Method of Sensor ArrayBased on Multiple DS18B20*DU Guangyue1*，LIU Meili1，ZHOU Meng2，WANG Xiaohong1，WANG Yue1，TIAN Fengshuo1(1School of ail Transportation，Shandong Jiaotong University，Jinan Shandong 250357，China;2State Grid Shandong Yuncheng Electric Power Supply Company，Yuncheng Shandong 274700，China)Abstract:A distributed parallel data acquisition method based on multiple DS18B20 temperature sensor arrays is proposed，which solvespoor synchronization problem of sensor array data acquisition for multi-point detection used in temperature gradients space on thermalphysics，meanwhile improves the real-time detection and detection efficiency The structure and working sequence of DS18B20 tempera-ture sensor are analyzed in depth Firstly，all temperature sensors in the array are ID matched，and then the temperature conversion isstarted，so that the longest process of the sensor can be synchronized as much as possible，shortening the time to get temperature data ofthe entire array At the same time，the lengths of time taken for temperature acquisition of two methods through an array of 180 DS18B20sensors are compared The distributed parallel data acquisition method takes 36s，which is 822 s shorter than that of the traditionalone-by-one temperature acquisition The method proposed improves the synchronization of data acquisition of multiple DS18B20 temper-ature sensor arrays，which is of great significance to the study of temperature field and temperature gradient model in spaceKey words:DS18B20 temperature sensor;sensor array;temperature gradient;data acquisitionEEACC:7210Gdoi:103969/jissn10059490202301003基于多 DS18B20 传感器阵列的数据采集方法研究*杜光月1*，刘美丽1，周蒙2，王晓红1，王越1，田丰硕1(1山东交通学院轨道交通学院，山东 济南 250357;2国网山东郓城县供电公司，山东 郓城 274700)摘要:提出了一种基于多 DS18B20 温度传感器阵列的分布式并行数据采集方法，解决了热物理学中对空间内温度梯度多点检测用传感器阵列数据采集同步性较差的问题，提高了检测实时性与同步性。对 DS18B20 温度传感器的结构与工作时序进行了深入解析，首先将阵列内所有温度传感器进行 ID 匹配，然后启动温度转换，使传感器耗时最长的一段过程尽量保持同步进行，缩短了数据采集所耗时长。同时对 180 个传感器两种温度采集方式所耗时长进行了对比:采用分布式并行数据采集方法耗时 36 s，比传统逐个式温度采集缩短了 822 s。所提出的方法提高了多 DS18B20 温度传感器阵列数据采集的同步性，对空间内温度场、温度梯度模型的研究具有重要意义。关键词:DS18B20 温度传感器;传感器阵列;温度梯度;数据采集中图分类号:TN43;TP2121文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01001606在现代生产生活中，温度是各类信号采集中应用最多、最广泛的一种物理参数，温度的高低体现了物体的冷热程度1。日常生活中，对于温度的采集往往是只针对某个点进行的，如家用空调等。但在工业及科学研究中，有时会用到对空间内温度梯度的数据采集，这就需要采用多温度传感器阵列的形式，对整个空间内多点的温度进行同时采集23。传统的多温度传感器阵列使用多个 PT100 安装到空间内对应坐标点上作为前端的温度采集器，通过比较长的电缆连接到变送器或者控制器上，在数据传输过程中经常会受到复杂电磁环境的干扰，造成数据的错误或者误差较大46。因此，在空间内检测点处将采集到的温度数据转换成数字形式，再进行远距离传输，对于提高采集数据的准确性与稳定性具有重要意义7。DS18B20 是一种单总线数字式传感器，具有高精度、小体积、低功耗等优点，被广泛地应用到需要温度采集的各个场合。在温度检测点，能将采集到的温度值直接转换成数字形式，以单总线的形式进行数据传输，提高了温度数据传输的稳定性。但应第 1 期杜光月，刘美丽等:基于多 DS18B20 传感器阵列的数据采集方法研究用到多温度传感器阵列中，想要同时采集多点的温度时，却往往会造成温度数据采集同步性较差的问题。即传感器的数量越多，控制器实现对多个DS18B20 数据遍历造成的时差越大810。针对温度采集的同步性较差问题，本文提出了一种基于多DS18B20 传感器阵列分布式并行温度采集方法，将控制器对传感器阵列数据遍历方式进行了改进。实验数据表明，对 180 个 DS18B20 传感器逐个数据采集时间由原来的 858s 缩短到 4s 以内，大大提高了传感器阵列内各个温度传感器数据采集的同步性。1DS18B20 结构及数据采集11传感器结构DS18B20 传感器温度 测 量 范 围 为 55 +125，可通过编程实现 912 位 A/D 转换，最小测温分辨率可达到 00625 11。该传感器有 3 个有效管脚，即电源引脚 VDD(5 V)，接地引脚 GND 及数据输入/输出引脚 DQ。其内部结构主要由 64 位光刻OM、温度传感器、配置寄存器、寄生电源、高速暂存器等组成，如图 1 所示。各部分协调工作，完成对于温度数据的采集、转换、存储及传输等功能。图 1DS18B20 内部结构光刻 OM 中存有全球唯一 64 位的 ID 号，即使在多点测温传感器阵列中，也能区分出不同点的温度值。内部的温度传感器实现对于检测点温度测量，根据设定将温度值进行对应位(9 位12 位)的 A/D 转换，将温度值转换成数字的形式，如表 1 所示。表 1DS18B20 温度传感器数值对应表12 温度/二进制表示符号位数据位(11 位)十六进制+1250 0 0 0 01111101000007D0H+25062 50 0 0 0 0001100100010191H+101250 0 0 0 00001010001000A2H+050 0 0 0 0000000010000008H00 0 0 0 000000H051 1 1 1 111111111000FFF8H101251 1 1 1 111101011110FF5EH256251 1 1 1 111001101111FE6FH551 1 1 1 110010010000FC90H配置寄存器(内部有 0，1 位)可编程实现分辨率的设定，如表 2 所示。表 21、2 位设定分辨率和最大转换时间12 12分辨率位数/bit最大转换时间/ms00993750110187510113751112750图 2DS18B20 传感器时序图15 在 DS18B20 温度传感器的实际应用中，首先要设定传感器温度转换的位数，从而确定温度转换的分辨率。分辨率越小，相对数据就越精准，但转换过程需要的时间就越长。表 1 所示为 12 位转换时的实际温度值与转换数据的对应关系。首先观察采集的二进制数据的高 5 位，如果为 0，则对读取的后 11位数进行十进制转换，然后与分辨率 0062 5 相乘，即得到实际的温度值;如果为 1，则将数据取反后加1，再进行十进制转换，然后与分辨率 0062 5 相乘，即可获得温度值，此时为负值，即零下温度13。两种计算所得实际温度值的单位均为。12工作时序DS18B20 温度传感器采用的是单总线数据传输方式，由总线控制器发出时序信号承载数据传输，实现控制器对传感器的指令输入及传感器对控制器温度数据的输出。DS18B20 传感器在进行温度采集时，通常要经过复位、工作模式设定、接收控制器温度转换指令、开始转换并等待转换完成、发送温度数据等几个环节14。由于在这些环节中需要不断进行指令与温度数据传输，因此总线上时序问题是数据交换的关键。传感器初始化操作、指令写入及数据读出时序如图 2 所示。71电子器件第 46 卷由图 2 的三个时序图可知，在指令与温度数据传输过程中，总线电平变化是微秒级的，速度相对较快。在启动温度转换后，等待温度传感器采集过程相对比较漫长，可见 DS18B20 温度传感器在进行温度采集及 A/D 转换中所耗时间在整个过程中占据较大比例。13单总线多并联接线方式DS18B20 温度传感器在指令及温度数据传输过程中，采用的是单总线形式，因此在其接线方式中，通常是将控制的 IO 口(5V)与传感器的 DQ 端口直接相连，并且上拉阻值 47K 的电阻，以增强其驱动能力，如图 3 所示。每个传感器具有全球唯一的 ID 号，可以在控制器的每个 IO 口上同时挂接多个传感器，根据不同的 ID 号区分传感器。本文曾以STC15F2K60S2 芯片做过实验研究，线长20 cm 内每个 IO 挂接 6 个 DS18B20 温度传感器仍然可以正常的进行指令与数据的传输，再增加数量后，则会导致数据传输效率降低及稳定性变差。2021 年，赵卫东16 对多 DS18B20 测温电路的单总线延长技术进行了研究，取得了一定成果，解决了单总线多并联温度传感器进行指令与温度数据远距离传输问题。图 3DS18B20 温度传感器与控制器连接图2多传感器阵列数据采集在热物理学中，热的扩散通常是通过空间内坐标点的温度趋势来衡量的，因此空间内温度传感器分布的密度越大，对于热流的流向检测越精准。在实际应用中，通常应用多传感器阵列的形式测量建筑物室