新型数字式温度传感器LM74在现场总线中的应用_图文


自动化仪表!第 25 卷第 5 期 2004 年 5 月

5 结束语
随着信息技术和 网络 通信技 术的 飞速发 展, 信息 技术的应用必然会逐步渗 透到我 们的 各项工 作中 去。 因此, 应该学习和掌握更多 的有关 信息 技术方 面的知

识, 将信息技术溶入 到日常 办公、 设备管 理中, 以提高 工作效率和管理水平。
收稿日期: 2003- 05- 23 。 第一作者秦军, 男, 1973 年生, 1999 年毕业于绵阳师范高等专科学 校 , 任助理工程师; 主要从事仪表与计算机管理工作 。

新型数字式温度传感器 LM74 在现场总线中的应用
Application of LM74 New Digital Temperature Transducer in Fieldbus

方彦军

李京丽

( 武汉大学自动化系, 武汉 430072)

0 引言
温度测 量使用 较多 的是 热 电阻 和 热电 偶。 虽然 其测量精 度较高, 但测 试过程 复杂 , 耗 时长 , 系统结 构复杂, 需要预先 精确计 算电流- 温度对 照表, 并固 化在 EPROM 中。为 保证控 温精 度, 软 件中 还需 采用 局部变速 积 分 等 算 法。而 且 , 采用 电 桥 测 量 的 系统 抗干扰能 力较差 , 常会出 现较大的 误差, 在 许多场合 都难以应 用。另一 种温 度 测量 方法 是采 用 集成 的半 导体模拟 温度 传感 器, 传 感 器输 出 的 电压 或 电 流与 温度在一 定程度上 呈线性 关系, 通过 将模 拟量 放大 、 采样而得 到待测 的温 度 值。近 年来 发展 了 多种 半导 体温 度传 感 器, 如 美 国 国 家 半 导 体公 司 的 LM 系列 ( LM20, LM45, LM60 等 ) , 美 国 Analog Device 公 司的 AD590 系列 等, 用 AD590 构 成 的系 统 具 有 较 好 的分 辨率和精 度, 采用 电流传 输, 在长线 传输中 有较强的 抗干扰能 力。但 在 测量 中, 由于 每 个 模拟 传 感 器都 需直接连 接到取 样电阻上 , 需要大 量的传 输电缆, 布 线复杂 , 成本高, 不易维护 。而采用 新型的 数字化的 温度传感 器的全 数字化温 度监测 系统, 其 精度、 稳定 性、 可 靠性、抗干 扰能力都 高于模 拟系 统, 系 统配置 简单, 维护容 易, 成本低, 在技 术上 较传 统的 分布温 度测量有 明显优 势。本 文 介绍 新型 数字 式 温度 传感 器 LM74 的原理、 性 能 和 接口 技 术 以及 应 用 LM 74 的 带现场总 线接口 的温 度 采集 从站 模块 。系 统运 行过 程中可以 对测 得到 温 度值 进 行实 时 监 控、显 示 和记 录。

1 新型数字温度传感器
数字式温度 传感 器采 用 了半 导体 集 成电 路 与微 控 制器的最新 技术, 在一个 管芯上集成 了半导 体温度 测 量芯片, 数据 信号转换芯 片, 计算机接 口芯片 , 存储 芯 片等多个功能 模块。除了 完成温度检 测功能 外, 一 些数 字温度传 感器 还可 以 同时 完成 可预 置 温度 范围 报警 、 多路 A/ D 转换 、 温度 补偿 等功能 。由于 数字温 度 传感器直接 输出数据量 , 常采用串行 数据总 线技术 与 外界通信。串 行总线除减 少了接口引 脚的数 目外, 还 可将多个传 感器并联或 串联在总线上 , 减少 电缆数 量 , 方便地实 现测 温。由 于 采用 纯数 字 传输, 系 统具 有 较强 的抗 干扰 能力, 并具 有系 统自 检等 诊断 功能。 目前 在 数 字 温 度 传 感 器 中 采 用 的 串 行 总 线 主 要 有 Philips 公司 的 I2C 总 线, Motorola 公 司的 SPI 总 线, Na tional Semiconductor 公 司 的 Microwireplus 总 线, Dallas Semiconductor 公 司 的 1 Wire 总 线 和 Siemens 公 司 的 Profibus 总线等 。 LM74 是一集成了带隙式温度传感器、 Delta- Sigma 型模/ 数转换器, 并具有 SPI/ Microwire 兼容总线接口的 数字温度传感器。其原理如图 1 所示。在传感器通电 工作后, 自动按一定速率对温度进行检测, 并在片内寄 存器中存储转换的 温度值, 主机可 以在任 意时 刻读出 传感器温度值。LM74 具有休眠模式, 在休 眠时消耗的 电流不超过 10 A, 适用于对功率消 耗有严格限 制的系 统。LM74 的模数 转换 器为 12 位 外加 符号 位, 因 此在 其有效工 作范围 内可 达 0 062 5 的 分辨 率。其 有效

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PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol. 25, No. 5, May, 2004

新型数字式温度传感器 LM74 在现场总线中的应用 工作范围为- 55~ + 155 。由 于采用了 SPI/ Microwire 兼容总线接口, 可以将多个传感器挂接在总线上, 通过 片选信号对特定器件进行读写操作。LM74 采用 3 0~ 5 5V 的供给电压。

方彦军, 等

NC 无信 号连 接; / CS 为 片选 输 入信 号; V + 为 正 电源; GND 为地。LM74 的内 部 寄存 器结 构为: LM74 有 3 个 寄存器, 分别为温度寄存器, 组态寄存器和制造商认证 寄存器。其中温度寄 存器 和制造 商认证 寄存 器只读, 组态寄存器 只写。LM74 通 过配 置组态 寄存 器选 择工 作方式是 休 眠模 式还 是连 续 工作 模式。 温度 数 据为 13 位数据, 12 位外加符 号位, 分辨 率为 0 062 5 位为 TRI 状态位置高电平。 LM74 与处理器之间的接口如图 3 所示。 ,低2

图 1 LM74 的功能框图

2 应用实例
2. 1 硬件系统组成 在构成大规模温度检测系统时, 由于测点多, 分布 广, 干扰严重, 除需要保证传感器的性能和抗干扰能力 外, 还需要选用合适的现场总线技术, 并在此基础上优 化系统的拓扑结 构, 使之 达到 良好的 性能。现 场总线 技术将专用的微处理器置 入传统 的测 量控制 仪表, 使 它们各自都具有了数字计 算和数 字通 信的能 力, 采用 可进行简单连接的双绞线 等作为 总线, 把多个 测量控 制仪表联接成网络 系统, 并按公 开、 规 范的通 信协 议, 在位于现场的多个微机化 的测量 控制 设备之 间, 以及 现场仪表与远程监控计算 机之间, 实现 数据传 输与信 息交换, 形成各种适应实际需要的自动控制系统。 采用数字信号取 代模 拟信号, 就可 实现直 接数字 控制。为此, 选用西门子公司提供的 SPC3 开发出与传 感器 相 连 的 Profibus - DP 从 站 温 度 采 集 模 块, 通 过 Profibus 总线联接分 布在 工厂 各个 测点 的数 字式 温度 传感器 LM74, 完成动态温度数据采集 和传输。由于采 用现场总线通信技术, 使系统具有良好的适应性, 配置 灵活, 扩充和管理都很方便, 而且全数字温度测量系统 的精度、 稳定性、 可靠 性、 抗 干扰能 力以 及系统 维护性 能等都大大高于模拟系统。温度采集从站模块主要由 协议芯片 SPC3、 LM74、 80C32 微 处理器、 EPROM、 32K 数 据存储器 RAM、 用于与 Profibus 总线相连的 RS- 485 接 口, 译码器电路和 一个复 位组 成。温度 采集从 站模块 结构框图如图 2 所示。 2. 2 硬件接口实现 LM74 采用 SO- 8 封装以节省空间。其中, SI/ O 用 于串行总线双向输入输出数据线或施密特时钟触发输 入; SC 用于总线时钟/ 串行总线施 密特时钟 触发输 入;
图 3 LM74 与处理器之间的接口图 图 2 温度采集从站模 块结构框图

2. 3

通信接口软件 LM74 的一个完 整的 发 送/ 接收 过程 包含 32 个串

行时钟, CS信号必须在 32 个串行时钟周期中始终保持 为低电平, 前 16 个时钟周期 发送, 后 16 个时 钟周期接 收。数据通信由CS 的低电 平触 发。主机在 SC 的上升 沿读数据。在 14 位数据 发送完后 SI/ O 脚转 为 TRI 状 态。在数据通信状态 下CS 随时可 被置为 高电 平, 一旦 CS在转换过程中变高, LM74 将中止转换。 输出移位寄 存器 将在CS重新 变高时 更新。数据接 收始于 第 16 个 串行周期后。LM74 将在 SC 的上 升沿 从 SI/ O 引 脚读 取数据。在CS置高前, 串行数据的所有 16 位必须发送 到 LM74。如果CS在 LM74 接收数据的时候被置为高电 平, 则组态寄存器中的数据将被损坏。在 32 个串行时 钟周期后, CS置高电平表示完成通信。 与处理器 通信 读 取温 度数 据 的接 口 核心 程 序如 下:
uchar I2c rd1( void) { uchar i= 8, d; i2c sda1= 1; while( i ) 循环 { d= d 1; / / SI/ O 置高电平

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自动化仪表!第 25 卷第 5 期 2004 年 5 月
Delay 5us( ) ; / / 延时 / / SC 置高电平 / / d 末尾置 1

i2c sck1= 1; Delay return d; } uint LM74 R1( void) { uint x, y, Temp; i2c eep1= 0; 5us( ) ;

if( i2c sda1) d+ + ; i2c sck1= 0;

} / / SC 置低电平

/ / / CS 置低电平 / / 等待 SI/ O 电平稳定 / / 高位数据 / / 低位数据 / / / CS 置高电平
图 4 程序流程图

Delay ms( 1) ; x= I2c rd1( ) ; y= 12c rd1( ) ; Temp= ( x i2c 8) | y; eep1= 1;

return( Temp) ; }

管理部门和决策部门可以随时了解生产现场的质量情 况, 加以调度, 提高信 息反馈 速度 和准确 性, 降 低管理 工作量和难度, 提高生产效率, 节约经费。新型数字式 温度传感器为温度 测量提 供了有 力的手 段, 在 此基础 上结合合理的现场总线技术和网络设计可以达到简化 系统, 降低成本, 提高 性能和 便于 维护的 目标, 因此有 广泛的应用前景。
参考文献
1 阳宪惠等. 现场总线技术及其应用, 北京: 清华大学出版社, 1999
收稿日期: 2003- 05- 18 。 第一作者方彦军 , 男 , 1957 年生 , 教授, 博士生导师 ; 从事检测与控制 方面的教学与科研工作。

系统运行过 程中 可 以对 测得 到温 度 值进 行 实时 监控, 当温 度值 超过设 定范 围时 , 可 以发 出控 制信号 到执行 机构 , 产 生报警 信号 , 并 根据 现场 实际 情况采 取相应的措施 , 产生报警 信号。程序 流程 图如图 4 所 示。

3 结束语
整个系统运 行稳定 可靠, 达到设 计目 标。系统扩 展方便, 可集温度、 压力、 流量于一身进行检测、 运算和 控制。同时, 可将监控 系统 作为全 厂管 理信息 系统的 一个重要环节来考虑, 通过现场监控信息上网, 使监控

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