■ 武汉大学自动化系 李京丽 方彦军
前言
采用新型的数字化的温度传感器的全数字化现场总线温度监测系统, 在精度、稳定性、可靠性、抗干扰能力方面都高于模拟系统, 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。本文介绍了美国国家半导体公司的LM系列数字式温度传感器LM74的原理、性能和接口技术, 及基于LM74的带现场总线接口的温度采集从站模块。系统运行过程中模块采集到的温度信号可以传送到主站，通过上位机工控软件iFix实现监控、显示和记录。
数字温度传感器LM74
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10mA, 适用于对功耗有严格限制的系统。LM74的模/数转换器为12位外加符号位，有效工作范围为-55℃~+155℃，分辨率可达0.0625℃的分辨率。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3.0V~5.5V的供电电压。
LM74采用SO-8封装以节省空间。其中SI/O用于主站输入/输出，串行总线双向数据线，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；NC无信号连接；/CS为片选输入信号；V是电压输入端；GND为地信号。LM74的内部寄存器结构有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可选择休眠模式或连续工作模式。
LM74的工作方式是：在SC引脚的串行时钟下降沿输出数据，上升沿输入数据。一个完整的发送/接收过程包含32个串行时钟，在前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的上升沿读出数据。在14位数据发送完后SI/O脚转为TRI状态。在数据发送状态/CS可被置高电平，如果/CS在转换过程中变低，则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。/CS信号必须在32个串行周期保持为低。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位将被发送到LM74。如果/CS在LM74接收数据的时候置高，在组态寄存器中的数据将被损坏。在32个串行周期后，/CS可被置高来完成通信。
设计简介
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, 简化系统布线, 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连接成网络系统，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。
用西门子公司提供的SPC3开发出与传感器相连的Profbus-DP从站温度采集模块，通过Profibus总线连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。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、32KB数据存储器RAM、用于与Profibus总线相连的RS485接口、译码器电路和一个复位组成。温度显示模块由时钟芯片、锁存器、EPROM和液晶显示屏等组成。温度采集和显示从站模块结构框图如图2所示。
LM74与处理器之间的接口如图3所示。
与处理器通信和读取温度数据的接口程序如下：
uchar i2c_rd1(void)
{ uchar i = 8, d;
i2c_sda1 = 1; //SI/O置高电平
while ( i--)循环
{ d = d << 1;
Delay_5us(); //延时
i2c_sck1 =1; //SC置高电平
if ( i2c_sda1 ) d++; //d 末尾置1
Delay_5us();
i2c_sck1 =0; }// SC置低电平
return d;}
uint LM74_R1(void)
{ uint x,y,Temp;
i2c_eep1 =0; // /CS置低电平
Delay_ms(1); // 等待SI/O电平稳定
x=i2c_rd1(); // 高位数据
y=i2c_rd1(); // 低位数据
Temp = (x<<8)|y;
i2c_eep1 =1; // /CS置高电平
return(Temp);}
系统运行过程中模块采集到的温度信号可以在温度显示模块上显示，并可传送到主站，通过上位机工控软件iFix实现监控、显示和记录。对测得到温度值进行实时监控过程中，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。在iFix中的控制界面如图4所示。上述系统的运行稳定可靠,可达到设计目标。系统扩展方便，还可以挂接其他现场设备，集温度、压力、流量于一身进行检测、运算和控制。■