鐘鼎

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

溫度測(cè)量[1]在家居生活和工業(yè)生產(chǎn)控制等領(lǐng)域都有著廣泛的使用，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷的擴(kuò)展，基于單片機(jī)控制的溫度測(cè)量系統(tǒng)也相繼被提出，隨著ARM公司最新Cortex系列內(nèi)核的推出，基于Cortex-M3內(nèi)核的高性價(jià)比的處理器受到了客戶廣泛歡迎，而在我國(guó)，GSM網(wǎng)絡(luò)超過(guò)95%的覆蓋率也為無(wú)線通信和遠(yuǎn)程控制創(chuàng)造了良好的媒介，在某些特殊環(huán)境下，比如不易布線或者布線距離較長(zhǎng)環(huán)境下，都會(huì)使測(cè)量系統(tǒng)的成本升高，而且數(shù)據(jù)在長(zhǎng)距離的傳輸過(guò)程中極易受到干擾，利用技術(shù)成熟成本相對(duì)較低的GSM網(wǎng)絡(luò)，不僅不受傳輸距離的限制，而且具有較好的抗干擾能力，使用便攜的手機(jī)發(fā)送短信控制來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量是一種較好的方法。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能溫度測(cè)量系統(tǒng)主要由溫度測(cè)量模塊、GSM模塊、外接EEPROM、主控制器組成。主控制器使用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6處理器，主要完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和自檢工作。溫度測(cè)量模塊使用DALLAS公司的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，GSM模塊使用西門(mén)子工業(yè)TC35I模塊，其支持中文短信功能，通過(guò)通用串口協(xié)議與主控制器通信，接收和發(fā)送主控制器的命令，當(dāng)TC35I模塊接收到短消息命令后把命令發(fā)送給主控制器，主控制器分析短信命令，如為溫度測(cè)量指令則開(kāi)始測(cè)量溫度，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)TC35I模塊發(fā)送回去，同時(shí)備份測(cè)量數(shù)據(jù)在外接EEPROM中，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

意法半導(dǎo)體公司新推出的STM32F103RBT6，是基于ARM公司最新推出的V7平臺(tái)的Cortex-M3內(nèi)核。芯片[2-3]具有128 k FLASH，20 k SRAM，2個(gè) SPI接口，3個(gè)串口， 一個(gè)USB，1個(gè) CAN，51個(gè) IO口。芯片的數(shù)據(jù)處理能力為1.25 DMips/MHz，在 72 MHz的工作時(shí)鐘下消耗 36 mA（所有外設(shè)處于工作狀態(tài)），待機(jī)時(shí)下降到2 μA，是目前32位處理器市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，十多塊錢(qián)的市場(chǎng)售價(jià)為該產(chǎn)品創(chuàng)造了極高的性價(jià)比，除了在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)外，STM32主控芯片內(nèi)部包含了一個(gè)時(shí)鐘嘀嗒（SysTick）計(jì)時(shí)器，SysTick是一個(gè)24位的自動(dòng)重裝的倒計(jì)數(shù)定時(shí)器，在使用高速8 M外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，通過(guò)處理器內(nèi)部PLLMUL倍頻產(chǎn)生最高72 M的時(shí)鐘HCLK，SysTick的時(shí)鐘來(lái)自HCLK的8分頻，即72/8=9 MHz，通過(guò)計(jì)算當(dāng)裝載的初值為9時(shí)可以得到精確的1 μs的延時(shí)，在使用DS18B20測(cè)量溫度時(shí)候，開(kāi)始，應(yīng)答，讀寫(xiě)時(shí)序中使用的延時(shí)都為μs級(jí)，有較嚴(yán)格的時(shí)序要求，在STM32推出之前廣泛使用的單片機(jī)如51系列和AVR系列，都很難得到精確的μs級(jí)的延時(shí)程序，這導(dǎo)致在無(wú)參考數(shù)據(jù)的情況下通過(guò)軟件仿真得到的延時(shí)程序在實(shí)際驅(qū)動(dòng)DS18B20過(guò)程中往往需要多次對(duì)延時(shí)程序進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在軟件仿真的環(huán)境下，也很難精確地對(duì)延時(shí)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)間的估計(jì)，而在有限的資源下，如果使用通用定時(shí)器完成延時(shí)也是不太現(xiàn)實(shí)的，而STM32處理器卻由于能夠使用精確的μs級(jí)延時(shí)，為延時(shí)程序編寫(xiě)帶來(lái)很大方便。主控芯片與外設(shè)接口如圖1所示。

2.2 溫度測(cè)量模塊

STM32F103RBT6雖然內(nèi)部自帶了溫度傳感器，但是其精度較差，為正負(fù)1.5度，而且由于考慮到芯片發(fā)熱的問(wèn)題，內(nèi)部自帶溫度傳感器很難測(cè)量到較準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，所以選用價(jià)格便宜精度較高的DS18B20溫度傳感器，其采用單總線方式傳輸，與主控制器的 PA0連接，工作電壓為 3～5.5 V，測(cè)溫范圍－55～+125度，理論上測(cè)量精度最高可達(dá)0.062 5度，實(shí)際測(cè)量中常用的默認(rèn)精度為 0.5度，在數(shù)據(jù)傳輸[4－5]過(guò)程中，讀和寫(xiě)的時(shí)序如下：

寫(xiě)時(shí)序：寫(xiě)0時(shí)主機(jī)拉低總線，延時(shí)60 μs，然后釋放總線。寫(xiě)1時(shí)主機(jī)拉低總線，延時(shí)2 μs，然后釋放總線。在連續(xù)寫(xiě)的過(guò)程中需要有1 μs以上的延時(shí)。

讀時(shí)序：讀時(shí)都由主機(jī)把電平拉低，延時(shí)大于 1 μs（3 μs）后，主機(jī)釋放總線，3～15μs時(shí)間段的后期，主機(jī)采樣電平（0或 1），延時(shí) 45 μs，整個(gè)讀時(shí)序周期大于 60 μs。

使用DS18B20[2]讀取一次溫度的流程為：復(fù)位→發(fā)送（0xcc）命令→發(fā)送轉(zhuǎn)換命令（0x44）→延時(shí)→發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令（0xbe）→讀取兩個(gè)字節(jié)溫度→進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中讀取的是一個(gè)12 bit的數(shù)據(jù)，其中低4位為小數(shù)部分，高7位為整數(shù)部分，一位符號(hào)位，根據(jù)測(cè)量精度的要求可以對(duì)數(shù)據(jù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分開(kāi)進(jìn)行處理。

2.3GSM模塊

TC35I模塊是西門(mén)子公司支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V，通過(guò)接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線，主控制器通過(guò)串口與TC35I模塊使用AT指令集完成雙向通信，TC35I模塊的電路圖如圖2所示，其主要由40引腳的TC35I和SIM卡組成，模塊通過(guò)串口TXD0和RXD0與主控制器通信，TC35I短消息功能支持Text和PDU兩種模式，在標(biāo)準(zhǔn)C環(huán)境下，短消息收發(fā)采用Text模式，TC35I模塊發(fā)送內(nèi)容為test的短消息的主要操作如下[6]：

圖2 TC35I模塊電路圖Fig.2 TC35I module circuit

當(dāng)TC35I模塊接收到短消息后會(huì)自動(dòng)向處理器發(fā)送提示信息，處理器通過(guò)串口中斷接收到提示信息，在標(biāo)準(zhǔn)的C環(huán)境下，通過(guò)檢驗(yàn)串口提示信息中是否含有“+CMTI”來(lái)判斷是否有短消息提示指令，如果有則處理器向TC35I模塊發(fā)送讀取短消息指令后，之后處理器提取TC35I收到的短消息。

2.4 外存儲(chǔ)設(shè)備

外存儲(chǔ)設(shè)備使用外接EEPROM，在進(jìn)行溫度測(cè)量后測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給終端的同時(shí)會(huì)保存測(cè)量數(shù)據(jù)在外接存儲(chǔ)器AT24C02中，AT24C02總?cè)萘繛?56個(gè)字節(jié)，一次溫度測(cè)量數(shù)據(jù)為2個(gè)字節(jié)，所以使用便宜的24C02可以存儲(chǔ)超過(guò)100組的測(cè)量數(shù)據(jù)，AT24C02片內(nèi)地址在接收到每一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)地址后自動(dòng)加1，直到存儲(chǔ)滿后前面的數(shù)據(jù)將被覆蓋。STM32處理器自配IIC接口，但是考慮到移植性的問(wèn)題，使用IO口模擬IIC協(xié)議通信更容易實(shí)現(xiàn)，接口電路如圖1所示。

當(dāng)SCL線[2]為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號(hào)，SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號(hào)。 無(wú)論是數(shù)據(jù)還是地址的傳輸中，都是按照字節(jié)來(lái)傳輸，傳送的方向是從最高位開(kāi)始，每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位。在數(shù)據(jù)和地址的傳輸過(guò)程中始終注意：時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序如下：起始信號(hào)→從機(jī)地址+方向→應(yīng)答→數(shù)據(jù)（8位）→應(yīng)答/非應(yīng)答→終止信號(hào)。其中方向值為“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，方向值為“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是在MDK環(huán)境下直接對(duì)寄存器編程.主函數(shù)流程如圖3所示，在軟件設(shè)計(jì)中建立一個(gè)長(zhǎng)度為20的字符數(shù)組buff[20]用來(lái)作為接收指令的緩存，當(dāng)處理器接收到指令test就開(kāi)始溫度測(cè)量，并把測(cè)量結(jié)果通過(guò)TC35I模塊發(fā)送到目的手機(jī)，發(fā)送完成后清空buff緩存，在這里需要特別注意的是在初始化過(guò)程中需要用AT指令A(yù)T+CMGD=1來(lái)刪除TC35I模塊的模塊終端在位置1中存儲(chǔ)的短消息，這樣位置1的存儲(chǔ)空間就被釋放出來(lái)，當(dāng)接收到新信息后，新接收到的消息會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在位置1中，處理器提取位置1的短消息并轉(zhuǎn)存到buff中，然后再次清空位置1空間，為接收下一個(gè)信息做準(zhǔn)備。TC35I模塊接收信息后轉(zhuǎn)存入緩存buff的過(guò)程是利用串口接收中斷來(lái)完成的。

圖3 軟件系統(tǒng)流程Fig.3 Software system flow

軟件中斷函數(shù)有兩個(gè)，一個(gè)是串口接收中斷，其把接收到的信息轉(zhuǎn)存入buff緩存，另一個(gè)是定時(shí)中斷，定時(shí)中斷使用TIM3中斷，該中斷定時(shí)地對(duì)溫度傳感器檢測(cè)，對(duì)溫度傳感器的故障檢測(cè)是基于當(dāng)主機(jī)拉低電平480～960 μs產(chǎn)生復(fù)位脈沖，之后主機(jī)釋放總線，15～60 μs以后，接著由DS18B20拉低總線60～240 μs，產(chǎn)生應(yīng)答脈沖，通過(guò)是否檢測(cè)到應(yīng)答脈沖來(lái)判斷溫度傳感器是否正常工作，如果接收到應(yīng)答脈沖則正常測(cè)量溫度，如果未接收到應(yīng)答脈沖，處理器自動(dòng)發(fā)送短信報(bào)警信息1并進(jìn)入緊急模式，即轉(zhuǎn)為內(nèi)部溫度傳感器測(cè)量溫度，測(cè)量溫度后把測(cè)量結(jié)果與軟件設(shè)定溫度閥值比較，如超差則發(fā)送報(bào)警信息2，中斷流程如圖4所示。

圖4 中斷程序流程Fig.4 Interrupt flow

4 結(jié) 論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，具有較好的穩(wěn)定性，測(cè)量精度靈活，最高可達(dá)0.062 5度，成本低廉，利用GSM覆蓋面廣的特點(diǎn)，適合在遠(yuǎn)距離監(jiān)控和布線成本較高的環(huán)境下使用。

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