基于Dallas單總線器件的多點信號采集系統(tǒng)設計說明

..學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定,同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士學位論文評選機構將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密□,在_________年解密后適用本授權書。2、不保密□?！舱堅谝陨舷鄳娇騼却?√"作者簽名：年月日導師簽名：年月日目錄摘要………………………1前言………………………11單總線動手術基礎…………21.1單總線多器件控制系統(tǒng)概述…………21.2單總線的意義……………………31.3單總線處理次序………31.4信號方式…………41.5單總線器件…………61.6單總線技術的應用……………………62單總線多器件控制的設計原則……72.1硬件設計原則……………………72.2軟件設計原則……………………82.3使用的算法……………………92.4預想設計方案……………………103系統(tǒng)模塊介紹……………………113.1DS2190單總線橋接芯片…………113.2LF33CV低壓降〔LD0調節(jié)器…………123.3A/D轉換器DS2450……………………133.4可尋址控制開關……………………133.5集成穩(wěn)壓器LM317……………………153.6防靜電保護二極管…………164DS2432的內部結構和加密原理設計………………174.1DS2432的內部結構……174.2DS2432的加密原理…………………185適配器的設計……………………195.1硬件電路設計……………………19USB接口電路設計………………195.1.2RJ-11橋接電路的設計…………205.2適配器軟件設計…………216適配器通信信號性能測試…………236.1硬件可靠性設計……………………256.2軟件可靠性設計……………………257總結與展望……………………25致謝………………26參考文獻………………27附錄……………………28基于Dallas單總線器件的多點信號采集系統(tǒng)設計學生：樂東指導趙勝會〔三峽大學科技學院摘要:美國Dallas公司近年推出的單總線技術及相應的集成芯片,用單片機可以組建成單總線技術的應用系統(tǒng)。文中具體說明了系統(tǒng)的硬、軟件組成特點,在自動測控系統(tǒng)中的應用內部含有SHA-1加密引擎,可使硬件設計更安全可靠的DS2432自動加密電路,。根據DS2432的工作原理,提出一種帶軟件加密狗的1-Wire總線USB口適配器的設計方法,同時介紹硬件電路,對電路進行了分析和說明,給出軟件加密流程。關鍵詞:1-Wire線;USB口;適配器;加密電路DS2432Abstract:Inrecentyears,theUnitedStatesDallascompanyintroducedasingle-bustechnologyandtheintegratedchipcanbeformedintoasinglechipmicrocomputerbusapplications.Thepaperspecificallydescribesthesystemhardware,thesoftwarefeaturesintheautomaticcontrolsystemofinternalencryptionwithSHA-1engine,enablesamoresecureandreliablehardwaredesignDS2432automaticallyencryptedcircuit.AccordingDS2432works,presentsadonglewithsoftware,the1-WirebusUSBportadapterdesignmethod,alsodescribedthehardwarecircuit,thecircuitanalysisandexplanation,giventhesoftwareencryptionprocess.Keywords:1-Wirebus;USBport;adapter;encryptioncircuitDS2432前言隨著計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發(fā)展,基于現場總線技術的通信網絡逐步取代分散式工業(yè)控制系統(tǒng),成為計算機技術及電子技術應用領域中最具活力的一種邊緣分支并取得巨大進步。美國美信公司設計的1-Wire總線是眾多現場總線中極具競爭力的一種。具備能與計算機進行數字通信、總線負載量大、布線簡練、精度高、性能穩(wěn)定、價格便宜等諸多優(yōu)點,特別是非常適合中短距離通信,是工業(yè)系統(tǒng)設計的高級境界。單總線測量網絡的實現需要與PC主機相結合,所以在單總線組成的測量網絡中,網絡適配器是必不可少的,它擔負著主機監(jiān)控單元與網絡節(jié)點之間數據傳輸的重要任務。USB接口總線具有高速傳輸、支持熱插拔、即插即用、開發(fā)成本低等優(yōu)點。DS2432提供一種緊湊的密鑰存儲方案,有效地降低了硬件仿制的可行性。據此,本文提出了一種基于DS2432的單總線USB口適配器的設計方法。目前常用的微機與外設之間進行數據傳輸的串行總線主要有I2C總線、SPI總線和SCI總線。其中I2C總線以同步串行2線方式進行通信〔一條時鐘線,一條數據線,SPI總線則以同步串行3線方式進行通信〔一條時鐘線,一條數據輸入線,一條數據輸出線,而SCI總線是以異步方式進行通信〔一條數據輸入線,一條數據輸出線的。這些總線至少需要兩條或兩條以上的信號線。近年來,美國的達拉斯半導體公司〔DALLASSEMICONDUCTOR推出了一項特有的單總線〔1-WireBus技術。該技術與上述總線不同,它采用單根信號線,既可傳輸時鐘,又能傳輸數據,而且數據傳輸是雙向的,因而這種單總線技術具有線路簡單,硬件開銷少,成本低廉,便于總線擴展和維護等優(yōu)點?，F場總線技術。低壓電器新一代產品實現了可通信、網絡化,能與多種開放式的現場總線連接,進行雙向通信,實現電器產品的遙控、遙信、遙測、遙調功能?，F場總線技術的應用,不僅能對配電質量進行監(jiān)控,減少損耗。而且,現場總線技術能對同一區(qū)域電網中多臺斷路器實現區(qū)域連鎖,實現配電保護的自動化,進一步提高配電系統(tǒng)的可靠性。工業(yè)現場總線領域使用的總線有Profibus、Modbus、DeviceNet等,其中Modbus與Profibus的影響較大。1單總線技術基礎1.1單總線多器件控制系統(tǒng)概述用于單主機系統(tǒng),能夠控制一個或多個從機設備。主機可以是微控制器,從機可以是單總線器件,它們之間的數據交換只通過一條信號線。當只有一個從機設備時,系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)操作；當有多個從設備時,系統(tǒng)則按多節(jié)點系統(tǒng)操作。圖1.1單總線多接點系統(tǒng)示意圖1.2單總線的定義單總線是一根在系統(tǒng)中用來完成數據控制和交換的數據線。設備〔主機或從機通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至該數據線,以允許設備在不發(fā)送數據時能夠釋放總線,而讓其它設備使用總線,其內部等效電路如圖2所示。單總線通常要求外接一個約為4.7kΩ的上拉電阻,這樣,當總線閑置時,其狀態(tài)為高電平。主機和從機之間的通信可通過3個步驟完成,分別為初始化1-wire器件、識別1-wire器件和交換數據。由于它們是主從結構,只有主機呼叫從機時,從機才能應答,因此主機訪問1-wire器件都必須嚴格遵循單總線命令序列,即初始化、ROM、命令功能命令。如果出現序列混亂,1-wire器件將不響應主機〔搜索ROM命令,報警搜索命令除外。這些芯片采用CMOS技術,耗電量都很小,從單總線上"偷"一點電〔空閑時幾μW,工作時幾mW存在芯片內電容中就可正常工作了,故一般不用另附電源。單總線上通常處于高電位〔5V左右,每個器件都能在需要時驅動它。因此,掛在總線上的每個器件必須是漏極開路或者是三態(tài)輸出的,這樣,不工作時不會給總線增加功耗。單總線的數據傳輸有兩種模式,通常以16.3kb/s的速率通信,超速模式可達142kb/s。因此,只能用于對速度要求不高的場合,一般用于100kb/s以下速率的測控或數據交換系統(tǒng)中。以上內容是單總線技術協(xié)議所要求的,各種芯片都具備這些基本內容,然后才進入某種具體的芯片功能,如A/D轉換器、溫度計等。應當指出,單總線技術作用距離在單片機I/O直接驅動下可達200m,經擴展可達1000m以上,允許掛上百個器件,能滿足一般測控系統(tǒng)的要求。1.3單總線處理次序處理次序是軟件設計的任務。在單總線系統(tǒng)中,軟件設計是技術的關鍵。簡潔的硬件配置是靠復雜的軟件來支撐的。在PC機作主控機時,單總線軟件設計基于Dallas公司授權的軟件開發(fā)商提供的成套開發(fā)工具,為軟件開發(fā)應用帶來很大的便利。而用單片機作主控機時,得由自己依據單總線協(xié)議,用匯編語言和Ｃ語言來編寫全部軟件,給開發(fā)應用增加了一定的難度。處理次序保證數據可靠的傳送,任一時刻單總線上只能有一個控制信號或數據。處理次序操作時,一般有以下四個過程：①初始化;②傳送ROM命令;③傳送RAM命令;④數據交換。單總線上所有處理都從初始化開始。初始化時序由總線命令者發(fā)出的復位脈沖和一個或多個從者發(fā)出的應答脈沖組成。"應答脈沖"是從者讓總線命令者知道某器件是在總線上,并準備工作。其信號波形如圖1.3所示。圖1.3信號時序圖單總線命令者首先必須發(fā)送7個ROM功能命令中的一個命令：①讀ROM〔總線上只有一個器件時,如讀DS2401的序列號;②匹配ROM〔總線上有多個器件時,尋址某個器件;③查找ROM〔系統(tǒng)首次啟動后,須識別總線上各器件;④跳過ROM〔總線上只有一個器件時,可跳過讀ROM命令直接向器件發(fā)送命令,以節(jié)省時間;⑤超速匹配ROM〔超速模式下尋址某個器件;⑥超速跳過ROM〔超速模式下跳過讀ROM命令;⑦條件查找ROM〔只查找輸入電壓超過設置的報警門限值的某個器件。這些操作在手冊中都有具體的命令碼供編程使用。當成功執(zhí)行上述命令之一后,總線命令者可發(fā)送任何一個可使用的命令來訪問存儲和控制功能,進行數據交換。所有數據的讀寫都是從最低位開始的。1.4信號方式所有的單總線器件都要遵循嚴格的通信協(xié)議,以保證數據的完整性。1-wire協(xié)議定義了復位脈沖、應答脈沖、寫0、讀0和讀1時序等幾種信號類型。所有的單總線命令序列〔初始化,ROM命令,功能命令都是由這些基本的信號類型組成的。在這些信號中,除了應答脈沖外,其它均由主機發(fā)出同步信號,并且發(fā)送的所有命令和數據都是字節(jié)的低位在前。圖1.4是這些信號的時序圖。其中,圖4是初始化時序,初始化時序包括主機發(fā)出的復位脈沖和從機發(fā)出的應答脈沖。主機通過拉低單總線至少480μs產生Tx復位脈沖；然后由主機釋放總線,并進入Rx接收模式。主機釋放總線時,會產生一由低電平跳變?yōu)楦唠娖降纳仙?單總線器件檢測到該上升沿后,延時15～60μs,接著單總線器件通過拉低總線60～240μsμ來產生應答脈沖。主機接收到從機的以應答脈沖后,說明有單總線器件在線,然后主機就可以開始對從機進行ROM命令和功能命令操作。圖4中的〔a、〔b、〔c分別是寫1、寫0和讀時序。在每一個時序中,總線只能傳輸一位數據。所有的讀、寫時序至少需要60μs,且每兩個獨立的時序之間至少需要1μs的恢復時間。圖中,讀、寫時序均始于主機拉低總線。在寫時序中,主機將在拉低總線15μs之內釋放總線,并向單總線器件寫1；若主機拉低總線后能保持至少60μs的低電平,則向單總線器件寫0。單總線器件僅在主機發(fā)出讀時序時才向主機傳輸數據,所以,當主機向單總線器件發(fā)出讀數據命令后,必須馬上產生讀時序,以便單總線器件能傳輸數據。在主機發(fā)出讀時序之后,單總線器件才開始在總線上發(fā)送0或1。若單總線器件發(fā)送1,則總線保持高電平,若發(fā)送0,則拉低總線。由于單總線器件發(fā)送數據后可保持15μs有效時間,因此,主機在讀時序期間必須釋放總線,且須在15μs的采樣總線狀態(tài),以便接收從機發(fā)送的數據。

圖1.4是這些信號的時序圖1.5單總線器件通常把掛在單總線上的器件稱之為單總線器件,單總線器件內一般都具有控制、收發(fā)、存儲等電路。為了區(qū)分不同的單總線器件,廠家生產單總線器件時都要刻錄一個64位的二進制ROM代碼,以標志其ID號。目前,單總線器件主要有單總線橋接芯片<DS2190>、低壓降〔LDO調節(jié)器<LF33CV>,A/D轉換器〔如MC1433、防靜電保護二極管〔如DS9520等。這里介紹一種iButton形式的單總線器件,它是利用瞬間接觸來進行數字通信的,這些器件的應用已經滲透到貨幣交易和高度安全的認證系統(tǒng)之中。IButton是采用紐扣狀不銹鋼外殼封裝的微型計算機晶片,它具有抗撞擊、防水漬、耐腐蝕、抗磁擾、防折疊、價格便宜等特點,能較好的解決傳統(tǒng)識別器存在的不足,同時又可滿足系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性方面的要求。1.6單總線技術的應用用單片機實現單總線應用,硬件連接簡單,單片機并口P1、P2、P3中的任一位I/O端口都可以與單總線進行雙向數據傳輸。用單片機對單總線系統(tǒng)進行現場長期監(jiān)控是最經濟實惠的方案,而且還可通過RS-232<或485>串行口與上位機PC連接,這樣還能在Windows平臺上進行更高一級的軟件管理。單總線技術可廣泛應用到社會各領域,這里只列舉了環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控的應用情況,其方法也完全可以應用于其他領域。環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通常用于程控通信機房、精密儀器室、檔案館、庫房、賓館客房、無人值守站、變電站等場所,實時監(jiān)測現場環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧、浸水及非法侵入等情況,根據設定值自動報警并驅動相關執(zhí)行器件。這是計算機在測控領域中典型應用的實例。通常的設計方案是選用一塊性能符合要求的多路數據采集〔A/D卡,與單片機的并行口相連,再把各種傳感器送來的模擬信號經多路轉換開關連到A/D上,變成數字信號后交給計算機進行處理。這樣設計至少有兩大缺點：其一,要拉一大把線才能把現場傳感器的信號送到采集卡上,布線施工麻煩,成本也高;其二,線路上傳送的是模擬信號,易受干擾和損耗。因此,這種方案的性能價格比較低。采用單總線技術設計環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng),只要一條雙絞線〔一根為信號線,一根為地線從單片機拉向監(jiān)控現場,然后將各種監(jiān)控對象掛在其上就可以了,其示意圖如圖5所示。圖中只畫出了一個監(jiān)控現場的配置,其布線接頭與通常線路用的一樣,插入和拔出都很方便。單總線多器件控制系統(tǒng)常用于監(jiān)控室內溫、濕度。因為溫度計為直接數字輸出,不需A/D轉換器。濕度計、煙霧傳感器、紅外傳感器和浸水報警需要A/D轉換器進行判別。當溫、濕度超過設定值就會通過開關DS2405來開啟空調機、去濕機。煙霧傳感器用做防火報警,當其輸出電壓超過A/D設定門限時就發(fā)出報警。對于紅外式傳感器,當有人侵入室內時,其輸出電壓可由A/D判知并告警。對于浸水報警,當置于地面上的探測器被水淹而短路,接通了監(jiān)視電路,被計算機查詢到后就會發(fā)出浸水報警。電子門鎖和防非法侵入都是用DS2401序列號設計的。正常情況下,只有用對應的序列號鑰匙才能打開房門。若非法侵入,門窗位移使磁控開關接通設置的序列號,則會發(fā)出報警。2.單總線多器件控制的設計原則2.1硬件設計下原則：1、系統(tǒng)在實現正常功能情況下成本要低,而且盡可能選擇典型電路,便于硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化。2、系統(tǒng)的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求,并留有適當余地,以便進行二次開發(fā)。3、硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。原則是：軟件能實現的功能盡可能由軟件來實現,以簡化硬件結構。但要注意由軟件實現的硬件功能,其響應時間要比直接用硬件實現長,而且占用CPU時間。因此,選擇軟化方案時,要考慮到這些因素。4、整個系統(tǒng)中相關的器件要盡可能做到性能匹配,例如選用晶振頻率較高時,存儲器的存取時間有限,應該選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片構成低功耗系統(tǒng)時,系統(tǒng)中的所有芯片都應該選擇低功耗的產品。防電磁干擾特性,采用金屬外殼；5、系統(tǒng)的高可靠性、高抗干擾性?？煽啃约翱垢蓴_設計是硬件系統(tǒng)設計不可缺少的一部分,它包括芯片、器件選擇、去耦濾波,印刷電路板布線、通道隔離等。必須考慮其驅動能力。驅動能力不足時,系統(tǒng)工作不可靠,解決的辦法是增加驅動能力,增設線驅動器或者減少芯片功耗,降低總線負載。2.2軟件設計原則軟件根據系統(tǒng)功能要求設計可靠地實現系統(tǒng)的各種功能,一個優(yōu)秀的應用系統(tǒng)的軟件應具有下列特點：1、軟件結構清晰、簡捷、流程合理。2、各功能程序實現模塊化,子程序化,便于調試、鏈接,又便于移植、修改。3、程序存儲區(qū),數據存儲區(qū)規(guī)劃合理,既能節(jié)約內存容量,又使操作方便。4、運行狀態(tài)實現標志化管理。各個功能程序運行狀態(tài)、運行結果以及運行要求都設置狀態(tài)標志以便查詢。程序的轉移、運行、控制都可通過狀態(tài)標志條件來控制。5、經過調試修改后的程序應進行規(guī)范化整理,除去修改"痕跡"。6、規(guī)范化的程序便于交流,借鑒,也為今后的軟件模塊化、標準化打下基礎。7、實現全面軟件抗干擾設計。軟件抗干擾是計算機應用系統(tǒng)提高可靠性的有力措施。8、為了提高運行的可靠性,在應用軟件中設置自診斷程序,在系統(tǒng)工作運行前先運行自診斷程序,用以檢查系統(tǒng)各種特征狀態(tài)參數是否正常。2.3使用的算法SHA算法概述:SHA<安全散列算法>是一種數據加密算法,該算法經過加密專家多年來的發(fā)展和改善已日益完善,是現在已公認的最安全的散列算法之一,并被廣泛使用。該算法的思想是接受一串輸入碼<信息>,并把它們轉化為長度較短、位數固定的輸出序列即散列值<也稱為信息摘要或信息認證代碼>的過程。DS2432中實現的SHA算法是SHA21,它符合聯(lián)邦信息發(fā)行標準18021。單向散列函數的特征是容易產生散列值,但由于它的輸出不以任何可辨認的方式反映輸入,所以從給定的散列值反求出輸入信息非常困難。SHA將輸入流按照每塊512位<64個字節(jié)>進行分塊,并產生20個字節(jié)的被稱為信息認證代碼的輸出。DS2432采用16個32位字Mt<0≤t≤15>作為輸入數據如表1所示CopyScratchpad。SHA算法涉及到一個稱為Wt<0≤t≤79>的80個32位字的序列,一個稱為Kt<0≤t≤79>的80個32位字的序列,一個布爾函數ft<B,C,D><0≤t≤79>,其中B、C和D為32位字,以及另外三個32位字,稱為A,E和TEMP。SHA算法用到的操作有不帶進位的算術加法<"+">,邏輯反或1的補碼<"～">,異或<"Y">,邏輯與<"∩">,邏輯或<"∪">,賦值<"=">,以及32位字的循環(huán)移動。表達式"Sn<X>"表示將X向左循環(huán)移n位,其中X是一個32位字。系統(tǒng)上電系統(tǒng)上電讀取程序讀注冊碼寫緩存器讀驗證頁讀緩存器讀存儲器判斷MAC程序禁止程序運行正確錯誤圖2.3.SHA算法的工作流程圖表CopyScratchpad命令的SHA-1的輸入數據

表符號說明函數ft的定義如下:ft<B,C,D>=<B∩C>∪<<～B>∩D><0≤t≤19>ft<B,C,D>=BYCYD<20≤t≤39,60≤t≤79>ft<B,C,D>=<B∩C>∪<B∩D>∪<C∩D><40≤t≤59>常數序列Kt<0≤t≤79>的定義如下<16進制>:Kt=5A827999H<0≤t≤19>Kt=6ED9EBA1H<20≤t≤39>Kt=8F1BBCDCH<40≤t≤59>Kt=CA62C1D6H<60≤t≤79>常量A,B,C,D,E初始化如下:A=67452301H;B=EFCDAB89H;C=98B2ADCFEH;D=10325476H;E=C3D2D1F0H2.4預想設計方案結合課題設計方向及電氣設計原則和所了解的相關知識,選用DS2490做為單總線橋接芯片,LF33CV做為低壓調節(jié)器,DS2450做為A/D轉換器,CD4051做為可尋址控制開關,LM371做為穩(wěn)壓器,為防止靜電還需要靜電保護二極管DS9502。由于要使用SHA算法來實現加密設計,可用DS2432做加密芯片,用RJ-11橋接電路來連接各器件,由單總線供電。3.系統(tǒng)模塊介紹3.1DS2190單總線橋接芯片ALLAS公司生產的USB單總線橋接芯片,內部集成有USB收發(fā)器,USB控制器,USB單線轉換器,單總線控制器等,可以實現USB信號與單協(xié)議信號之間互為轉換。它符合USB1.1規(guī)范,采用差分方式傳輸串行數據,通行效率高達12Mbit/s,通信距離可達300M。通過VBUS,GND,D+,D-,與PC機USB接口連接,可產生規(guī)范的單總線時序信號,支持DALLAS全系列單總線器件和ibutton器件。DS2490引腳如下圖圖3.1DS2490引腳電路圖VD：電源,可由USB口供電；1-Wire：單總線接口VB：USB總線功能電壓Vpup：編程電壓X1,X0：晶振連接端PMOD：保留引腳,通常與地連接SUSO：USB工作狀態(tài)輸出。D+,D-：USB差分數據線。GND：地線DS2490的功能表3.2LF33CV低壓降〔LDO調節(jié)器圖案3-2LF33CV低壓降〔LDO調節(jié)器電路圖

可編程調節(jié)器屬于調節(jié)器的一種,可編程調節(jié)器又稱數字調節(jié)器或單回路調節(jié)器。它是以微處理器為核心部件的一種新型調節(jié)器。它的各種功能可以通過改變程序〔編程的方法來實現,故稱為可編程調節(jié)器。特點：1、具有常規(guī)模擬儀表的安裝的操作方式,可與模擬儀表兼容。2、具有豐富的運算處理功能。3、一機多能,可簡化系統(tǒng)工程,縮小控制室盤面尺寸。4、具有完整的自診斷功能,安全可靠性高。5、編程方便,無須計算機軟件即可操作,便于推廣。6、通信接口能與計算機聯(lián)機,擴展性好。高性能、高可靠性、智能化、模塊化且綠色環(huán)保。由于LF33CV除了具有較強的額定短路分斷與額定短時耐受電流能力等較高的性能指標外,又可做到不降容使用,可以滿容量長期使用而不會發(fā)生過熱,從而實現安全運行。它可使斷路器實現了脫扣器的智能化,使斷路器的保護功能大大加強,可實現過載長延時、短路短延時、短路瞬時、接地、欠壓保護等功能,還可以在斷路器上顯示電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數等系統(tǒng)運行參數,并可以避免高次諧波的影響下發(fā)生誤動作。3.3.A/D轉換器DS2450在單總線上直接掛上A/D轉換器,會使系統(tǒng)的檢測功能大大增強。各種物理量只要通過傳感器變?yōu)殡妷毫?就可由A/D采集后經單總線送到計算機進行處理。Dallas公司1999年推出的DS2450就是這樣的A/D轉換器,其主要特性為：·4路模擬輸入通道,兩種模擬輸入量程為0~2.56V和0~5.12V;

·未用做輸入的通道可作為輸出通道使用;

·一個數據口,以16.3kb/s的速率通信,超速模式可達142kb/s;

·逐次逼近的變換原理,可選擇的8位轉換精度;

·響應模擬電壓超門限報警設置;

·不用另接電源和外圍電路;

·8腳SOIC封裝。3.4可尋址控制開關CD4051在測控系統(tǒng)中,開關量控制是應用最多的。對計算機來講,只要送出一位0或1控制碼信號,就可用它去觸發(fā)被控電路。通常是先觸發(fā)光電耦合器,然后啟動繼電器、晶閘管或固體繼電器,視被控設備功率大小選用合適的開關器件。本系統(tǒng)選用了單端8通道模擬多路開關CD4051。它由電平位移電路,帶禁止端INH的8選1譯碼器和由該譯碼器對各個輸出分別加以控制的八個CMOS雙向模擬開關組成。其引腳如圖3.4a所示。INH為高電平時,八路通道全部不通。A、B、C分別為輸入選通地址端,0-7為八路模擬輸入信號端,COMMON端為被選通模擬信號的輸出端CD4051傳送的信號范圍從VFE到VDD。由于環(huán)境因子的采樣信號幅值為0～2V,所以將VEE端與Vss端相連并接地,VDD端接電源端Vcc,使得信號傳送范圍為O-Vcc,即0～+5V,INH,A,B,C四端連接四根地址線,控制信號的選通,其真值表見表3.4b。選通的信號從COMMON端送到A/D電路。圖3.4a圖3.4aCD4051引腳及連線表3.4bCD4051真值表表3.4bCD4051真值表3.5集成穩(wěn)壓器LM317圖3.5LM317示例電路LM117/LM317

是美國國家半導體公司的三端可調正穩(wěn)壓器集成電路。我國和世界各大集成電路生產商均有同類產品可供選用,是使用極為廣泛的一類串連集成穩(wěn)壓器。LM117/LM317

的輸出電壓范圍是

1.25V

至

37V,負載電流最大為2.2A。使用它時僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。它具有比較好的線性調整率和負載調整率。LM117/LM317

內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。

通常

LM117/LM317

不需要外接電容,除非輸入濾波電到

LM117/LM317

輸入端的連線超過

6

英寸〔約

15

厘米。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。

LM117/LM317

能夠有許多特殊的用法。比如把調整端懸浮到一個較高的電壓上,可以用來調節(jié)高達數百伏的電壓,只要輸入輸出壓差不超過

LM117/LM317

的極限就行。當然還要避免輸出端短路。還可以把調整端接到一個可編程電壓上,實現可編程的電源輸出。用LM317T制作可調穩(wěn)壓電源,常因電位器接觸不良使輸出電壓升高而燒毀負載。如果增加一只三極管,在正常情況下,T1的基極電位為0,T1截止,對電路無影響；而當W1接觸不良時,T1的基極電位上升,當升至0.7V時,T1導通,將LM317T的調整端電壓降低,輸出電壓也降低,從而對負載起到保護作用。如去掉三極管、斷開W1中心點連線,3.8V小電珠立刻燒毀,測輸出電壓高達21V。而加有T1時,小電珠亮度減小,此時

LM317T輸出電壓僅為2V,從而有效的保護了負載。

LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊,是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如LM317HVH、W317L等?？梢杂?17穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算,Vo＝1.25〔1＋R2/R1?！沧1和R2的阻值是不能隨意設定的。317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—37V〔高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等,其輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—45V,所以R2/R1的比值范圍只能是有的0—28.6。317穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流〔即最小輸出電流,最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5mA。當317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時,317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時,317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時,沒有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流,那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現下述不正常現象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。在應用中,為了電路的穩(wěn)定工作,在一般情況下,還需要接二極管DS9502作為保護電路,防止電路中的電容放電時的高壓把317燒壞。3.6防靜電保護二極管在單總線線路的末端,為防止處在開路狀態(tài)易受靜電等干擾侵入,通常都接上DS9502之類的防靜電<可高達27kV>保護二極管。圖3-6DS9502電路圖4.DS2432的內部結構和加密原理設計4.1DS2432的內部結構DS2432[2]是倒裝芯片,有8個引腳,將控制、尋址、數據和電源集于一個數據引腳,可以在-40℃～+85℃,2.8V～5.25V的寬電壓范圍內進行讀、寫操作,內置多點控制。其引腳排列如圖圖4.1aDS2432引腳排列圖

DS2432的內部原理框圖如圖4.1b所示。該電路主要由64位掩模ROM、64位暫存器、4個32字節(jié)的EEPROM、64位寄存器、64位密鑰存儲器及512位SHA-1<安全散列算法>引擎6個主數據部件組成。圖4.1bDS2435內部原理圖4.2DS2432的加密原理DS2432有四個存儲區(qū):數據存儲器、密鑰存儲器、含有特定功能和用戶字節(jié)的寄存器頁和暫存器。數據存儲器每頁32個字節(jié)。密鑰、寄存器頁和暫存器均為8字節(jié)。向數據存儲器寫數據、裝載初始密鑰,或者向寄存器頁寫入數據時,暫存器作為緩存器使用。數據存儲器、密鑰存儲器和寄存器頁位于線性地址空間中。數據存儲器和寄存器頁對讀訪問沒有限制,但向數據存儲器和寄存器頁寫數據時則需要知道密鑰。密鑰的安裝有二種方法,一是把數據從暫存器復制到密鑰存儲器;二是當前密鑰和暫存器內容經過運算后生成新的密鑰。密鑰不能直接讀取,只有SHA引擎能夠訪問它,計算信息鑒定碼MAC。地址0088H-008FH為寄存器頁,含有特定功能寄存器、通用用戶字節(jié)以及1個工廠字節(jié)。一旦編程為AAH或55H,這些字節(jié)中的大多數將被寫保護而不能再更改。其他所有代碼既不能寫保護,也不能激活與這個特定字節(jié)相關的特殊功能。特殊功能包括僅寫保護密鑰;同時寫保護4個數據存儲器頁;僅激活數據存儲器頁1的EPROM模式;僅激活數據存儲器頁0的EPROM模式。一旦EPROM模式被激活,在數據存儲器未加寫保護的情況下,地址0020H-003FH中的位只能從邏輯1改為邏輯0。若讀取到的地址設為55H,表明地址008E和008F是可讀/寫的用戶字節(jié),沒有任何特定功能和鎖定機制。代碼AAH表明這二個字節(jié)被編程為16位的ID,并且被加寫保護。主機與1-Wire設備進行通信時,用戶要提供16位的ID識別碼,用來協(xié)助應用軟件識別包含DS2432的1-Wire網絡適配器。5.適配器的設計5.1硬件電路設計適配器需2個接口電路分別與計算機主機系統(tǒng)和1-Wire網絡進行通信。與主機系統(tǒng)進行通信主要通過USB協(xié)議實現,稱為USB接口電路;與1-Wire網絡之間的通信通過USB到1-Wire總線的橋接電路DS2490S實現,但需1個RJ-11插座,稱為RJ-11橋接電路。本設備采用USB總線的供電方式。USB接口電路設計USB接口電路的原理如圖所示。圖USB接口電路原理圖R3是上拉電阻器,它可使USB口的D+端上拉到DS2490S的VB端,表示USB主機系統(tǒng)是高速設備,同時這個上拉電阻器告訴主機有USB設備插入。該上拉電阻器的設置對適配器的影響很大,它的負載值和1-Wire網絡的總長決定1-Wire總線電壓上升到5V的速度。經過實驗測試選擇R3的阻值為27Ω±10%。R1、R2為USB數據線保護電阻器。L1、L2具有禁止高頻干擾并且減弱EMI輻射的功能。LF33CV為3.3V電壓穩(wěn)壓器,與周圍元件C1、C2組成強上拉部分,給EEPROM或溫度傳感器等器件提供額外的電源。RJ-11橋接電路的設計RJ-11橋接電路的原理如圖5.1.2a所示。圖5.1.2aDS2490S[3]是USB口與1-Wire器件的橋接電路,可直接連至USB主機系統(tǒng)。它可產生嚴格定時和受電壓擺率控制的1-Wire波形,并且可滿足USB接口通信協(xié)議的要求,保證USB口與1-Wire器件正常、安全地通信。晶體振蕩器電路主要由X1構成,在整個系統(tǒng)中非常重要,可保證DS2490S穩(wěn)定工作。為了產生12Mb/s的USB總線速率,系統(tǒng)使用12MHz的晶體振蕩器。電容器的接入是為了使晶體振蕩器更容易起振。肖特基二極管D1,D2可消除來自于ESD采樣數的尖峰信號或通過分別導通D1,D2至GND,交叉耦合其他的鄰近電纜,防止1-Wire總線過電壓。電阻器R5可限制ESD的電流并保護D1和D2。R4、R5和D3組成諧振電路,其特有的靜電晶體振蕩器放電功能可對1-Wire總線起到保護作用。建議在1-Wire網絡應用中使用阻抗約100Ω非屏蔽雙絞電纜。在本電路設計中考慮到這方面的原因,將R4、R5的阻值定為1kΩ,滿足了適配器數據通信的要求。整體電路原理如圖b所示。圖b整體電路原理圖5.2適配器軟件設計軟件設計[4]主要包括計算機端USB接口驅動程序模塊設計和DS2490S橋接模塊與讀取DS2432模塊的固件設計。在設計中將軟件程序模塊化,可方便調試和完善。本適配器軟件的設計是在Win-dows2000系統(tǒng)環(huán)境下進行的,設計工具是VisualC++和DriverStudio。加密軟件流程,如圖5.2所示。NNYYN0FHWriteScrachpad主機總線發(fā)送"TX"復位命令DS2432RESET將8個字節(jié)密鑰寫入暫存器SAHLOADSecreBusMasterTXTA1<77:T<1>,TA2〔715：78>andE/SByte讀密鑰地址？M-1Auth.CodeMatch?DS2432將暫存器數據記為密鑰SHA-1引擎激活,計算MAC身份認證碼延遲2ms主機獲得用戶密碼主機計算MAC信息鑒定碼NAahReadScratchpadCheckMAC?延遲10ms33HRcadROMCommand?CCHSkipROMCommand??BCHSearchROMCommand?55HMatchROMCommand?NNY69HOverdriveMatchROM?3CHDverdriveSkipROM?A5HResumeCommand?N圖5.2加密軟件流程圖

圖5.26.適配器通信信號性能測試對于遠程1-Wire測量網絡的通信,在核實信號時,尤其是在電纜末端,必須使用差分探測器和探測器的地浮動參考。另外,探測器的地連接將設旁路1-Wire參考地并改變系統(tǒng)的拓撲。如果沒有采用差分探測器,必須從總線地通過變壓器或使用電池供電的示波器隔離示波器的地。二者選其一來分離示波器電源供電電纜的安全地。當從遠端反射信號時,在圖形下降沿末尾的中心會產生一些波動<俗稱"鞍">,這是傳輸線的自然動作。電纜短于100m時看不到該"鞍"。由于條件所限,本適配器的通信信號性能測試在實驗室內進行。將適配器接入主機USB接口,再將示波器接入主機,來掃描適配器傳輸的信號。圖6所示為示波器掃描時序。由圖中可以看出輸入/輸出信號的時序基1-Wire器件的信號時序,未出現尖峰或混沌現象,適配器的工作基本穩(wěn)定。圖6所示為示波器掃描時序6.1硬件可靠性設計用于工業(yè)控制場合的系統(tǒng)對可靠性有較高的要求,只有具有較高可靠性的系統(tǒng)才具有實用價值。系統(tǒng)的可靠性包括軟件的可靠性和硬件的可靠性。單片機硬件系統(tǒng)的抗干擾能力與元器件質量、裝配質量等因素都有關系,但其中起決定作用的是設計過程,因此在設計中我們采取了以下抗干擾措施:<1>采用光電隔離;<2>采用過壓保護電路;<3>采用抗干擾穩(wěn)壓電源;<4>采用良好的接地系統(tǒng)。6.2軟件可靠性設計軟件部分可靠性主要通過抗干擾設計實現,其中本系統(tǒng)中的抗干擾設計主要包括以下部分:<1>采用數字濾波方法來抑制輸入通道的干擾;<2>對數字輸出信號處理;<3>對部分關鍵控制設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測;<4>采用指令冗余、軟件陷阱、"看門狗"等方法避免程序混亂。7.總結與展望基于Dallas單總線器件的多點信號采集系統(tǒng),與傳統(tǒng)的實際方法相比,設計簡單具有較高的性價比。同時可靠性高,操作靈活,系統(tǒng)簡明直觀。在分布式微機測控領域的到了廣泛的使用。用DS24910解決了PC機USB與單總線的接口問題,使USB控制單總線更加靈活。片機單總線技術比采用傳統(tǒng)的方案具有較高的性能價格比。而且,可以看出該技術具有以下特點：適用于低速測控場合;測控對象越多越顯示其優(yōu)越性;性價比高;硬件施工、維修方便;抗干擾性能好;具有CRC校驗功能,可靠性高;軟件設計規(guī)范;系統(tǒng)簡明直觀,易于掌握。因此,積極推廣單總線技術的應用會有較好的經濟效益和社會效益。單總線技術以其線路簡單、硬件開銷少、成本低廉、軟件設計簡單優(yōu)勢而有著無可比擬的應用前景。基于單總線的iButton技術能較好地解決傳統(tǒng)識別器普遍存在的攜帶不便、易損壞、易受腐饋、易受電磁干擾等不足,可應用于高度安全的門禁、身份識別等領域。其通信可靠簡單,很容易實現。由于單片機構成的應用系統(tǒng)可靠性高。系統(tǒng)配置規(guī)范控制功能具有預想性,變動控制方案容易。具有較高的性價比。因此單總線技術有著廣闊的應用前景,是值得產注的一個發(fā)展領域。致謝從拿到課題到現在已有數月之久了,記得剛拿到課題的那一刻,一臉茫然,不知從何下手,到現在終于順利完成了論文.整個過程一波三折,讓我受益匪淺,我不但真正體會到學術的嚴謹性,而且讓自己的知識結構得到一次升華。今天取得的成績的取得都凝聚著許多人的心血,離不開大家的幫助.在此我衷心地感謝趙勝會老師,趙老師在我論文完成期間認真負責地給予我深刻而細致地指導,幫助我開拓研究思路,精心點撥、熱忱鼓勵,給予了大力支持,提出了很多寶貴的意見,在趙老師的幫助下,我學到了更多的專業(yè)知識,并從他們身上學到了如何求知治學、如何為人處事。同時我也要感謝我的同學給予我的幫助,他們?yōu)槲易珜懻撐奶峁┝瞬簧俳ㄗh和幫助我終于順利完成了畢業(yè)設計。再次感謝大家,在一起生活和工作學習的美好時光里,你們給予我的真誠的鼓勵和無私的幫助是終生難忘的。參考文獻:[1]譚立勇.1-Wire技術概括[J].數據通信,2004.[2]DS2432-帶有SHA-1引擎保護的1-WireEE-PROM[Z].MaximIntegratedProducts,Inc.,2004.[3]DS2490UniversalSerialBusDescriptors[Z].

[4]Dallas.ProductsdataBook,1999

[5]吳江,陳尚松.單總線技術在測控系統(tǒng)中的應用.電測與儀表,1999<9>

[6]吳江,陳尚松.用單總線技術設計環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng).電子技術應用,2000[7]任雁勝,基于單總線智能溫度傳感器的電腦溫控系統(tǒng)[J].XX工業(yè)大學學報,20XX06期.[8]