基于I2C總線的多點溫度采集系統

孫延輝

（遼寧石油化工大學 信 息與控制工程學院，遼寧 撫 順113001）

隨著社會的進步和工業技術的發展，許多產品對溫度范圍的要求越加嚴格，尤其在工業發展方面，如冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃等行業，而目前市場上溫度檢測儀器大多是單點測量，不能適應當今社會生產高效率要求，且溫度信息精度不高。因此設計一種能夠同時測量多點溫度，測量精度高，能夠綜合處理多點溫度信息的測量系統很有必要。這里提出一種能多路采集、顯示的溫度采集系統設計。

1 系統硬件設計

1.1 系統整體結構

該系統設計采用I2C總線，單主機多從機的工作模式，實現多點溫度的采集、讀取與顯示。主機由主控制器、數碼管顯示、電源、報警、鍵盤等模塊組成，完成以下功能：1）主機通過按鍵確定進入溫度測量狀態以及即將讀取溫度的節點；2）主機從總線上讀取節點溫度值并顯示；3）空閑時，由按鍵確定進入時間顯示狀態。時鐘使用單片機內部的實時時鐘RTC、外部6 MHz晶振，CPU掉電運行，每0.5 s喚醒一次；而從機由數字溫度傳感器等組成，實現完成以下功能：1）采集節點實時溫度值；2）響應主機的請求，發送溫度數據。

基于I2C總線的多點溫度采集系統選用具有硬件I2C總線功能的P89LPC922[1]單片機作為主控制器，采用具有I2C功能器件的數字溫度傳感器LM75A[2]和數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理器件ZLG7290。LM75A采集節點實時溫度值，并通過I2C總線發送溫度數據，ZLG7290驅動LED數碼管顯示溫度值和時間[3]。采用SPX1117設計電源模塊提供3.3V電壓[4]。該系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

1.2 各模塊電路設計

1.2.1控制器模塊

主控制器采用P89LPC922單片機。該單片機是一款單片封裝的微控制器，適合于那些要求高集成度、低成本的場合，滿足多方面性能要求。其內部集成了鍵盤中斷、串行接口（UART/I2C）、看門狗定時器，采用先進的2-clock技術，指令執行速度是傳統80C51的6倍。支持空閑、掉電、時鐘預分頻等多種節電模式，另外，其4中斷優先級結構，為多個中斷源的處理提供極大的靈活性。

根據主控器P89LPC922單片機的鍵盤中斷特性[5]，鍵盤模塊可直接由3個I/O口控制實現3個按鍵，其原理圖如圖2所示。

圖2 P89LPC922控制的鍵盤電路

本設計采用蜂鳴器實現報警過程，使用I/O口的開漏方式對蜂鳴器進行控制。指示燈電路是由2個LED組成，使用I/O口的推挽輸出方式驅動LED。

1.2.2溫度采集模塊

LM75A是一個使用了內置帶隙溫度傳感器和∑-△模數轉換技術的溫度-數字轉換器。本設計使用2片LM75A采集兩點的溫度值，其原理圖如圖3所示。

圖3 溫度采集電路

1.2.3顯示模塊

ZLG7290B是數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理器件，能夠直接驅動8位共陰式數碼管（或64只獨立的LED）。這里只使用ZLG7290B的數碼管顯示驅動功能，而沒有用其鍵盤功能，因此電路大大簡化，其原理圖如圖4所示。

圖4顯示電路

2 軟件程序設計

I2C是一個多主總線，其可由多個器件控制。一般的I2C器件都具有一個唯一的地址以保證控制的準確性，普通I2C總線傳輸速率為100 Kbit/s，在新增的高速模式下其可達到3.4 Mbit/s的速率，以支持一些高速傳輸的應用，如大容量Flash存儲器。

LPC900系列單片機內部集成了I2C總線，既可作I2C總線上的主控器件，也可作I2C總線上的從器件，同時其具有4種I2C總線收發模式：主發送器模式，主接收器模式，從發送器模式，從接收器模式。

本設計的I2C軟件包采用硬件I2C總線中斷方式，硬件I2C的總線競爭和同步邏輯是軟件無法模擬的，本軟件包是硬件I2C以主方式工作的，它包括了申請總線，發送字節數據，接收字節數據等等，而面對其他模塊程序的是幾個歸一化子程序，只要設置幾個入口參數，即可調用[6]。

圖5和圖6分別為實時時鐘和鍵盤中斷服務流程，其中實時時鐘0.5 s產生1次中斷，而鍵盤中采用3個按鍵，每個按鍵按下時均可產生一次中斷。本設計主函數完成CPU掉電運行，使系統功耗降至最低，只有在按鍵中斷和實時時鐘中斷時才會喚醒CPU。

圖5 實時時鐘中斷服務流程

圖6 鍵盤中斷服務流程

3 系統測試

3.1 硬件測試

利用萬用表對焊接好的電路板進行測試。首先測試線路部分，各線路連接正常，沒有出現短路和斷路的現象；其次，上電后，電源燈亮，證明電源連接正常，測電源電壓輸入為5 V，輸出為3.3 V，電源電路工作正常。其余模塊通過軟件測試。

3.2 軟件測試

通過ZLG7290測試程序驗證I2C總線的傳輸情況，并利用邏輯分析儀來觀察其時序，如圖7所示。

圖7 ZLG7290時序

從圖7可以看出，該時序部分完成的是使第1位數碼管顯示“0”的過程，從啟動總線到結束總線的一個完整過程。該過程總共發送了4個字節數據，在總線啟動后發送的是ZLG7290的從機地址，后跟一位讀寫位0，表命令緩沖區的首地址，每發送完一個字節后都會收到一個應答位0，表示接收到數據。后面2個字節是復合指令，在這里是按位下載數據且譯碼指令，即使第1位數碼管顯示0。發送完指令后緊接著是結束總線條件，表示一次發送過程結束。

通過LM75A測試程序是向從機發送數據，收到應答位0后，緊接著發送從機子地址，在這里是ZLG7290命令緩沖區的首地址，每發送完一個字節后都會收到一個應答位0，表示接收到數據。后面2個字節是復合指令，在這里是按位下載數據且譯碼指令，即使第1位數碼管顯示0。發送完指令后緊接著是結束總線條件，表示一次發送過程結束。驗證I2C總線的接收數據的過程，并利用邏輯分析儀來觀察其時序，如圖8所示。

圖8 LM75A時序

從圖8可以看出，該時序部分完成的是讀取溫度值的過程，也是一個I2C總線帶重復起始條件的接受數據的過程。該過程分發送和接收兩部分。發送部分包括發送從機地址和從機子地址，即LM75A的地址90H和LM75A溫度寄存器首地址00H。然后重新啟動總線準備接收數據，該部分主機先發送從機地址，并跟讀寫位1，表示主機將接收該從機發來的數據，緊接著主機接收2個字節的數據，主機發送應答位后，再發送停止條件結束總線，表示主機接收完一次數據。

3.3 系統綜合測試

將程序燒進P89LPC922，上電后，數碼管顯示“0000”，通過按鍵2和按鍵3來設置時鐘初值。當讀取的溫度值超過設定的溫度值范圍，蜂鳴器會發出報警提示音。這時可通過按下按鍵1取消聲音，同時切換為時鐘顯示。

4 結束語

本系統為綜合處理多點溫度信息的測量系統，該設計系統結構簡單，操作方便，測量精度高，速度快，能實現報警。該系統的測溫范圍為－55～+125℃，測量精度能達到0.125℃，由于采用I2C總線的結構，整個系統占用主控制器I/O口較少，其余I/O口可留作系統擴展之用。該系統可應用于植物生長環境的溫度檢測，當超出植物適宜生長溫度范圍時將發出報警。

[1]Philips Semiconductors.P89LPC920/921/922 user manual[DB/OL].（2003）[2010-01-09].http：//www.ic-on-line.cn/IOL/datasheet/p89lpc921_153272.pdf.

[2]Philips Semiconductors.LM75A digital temperature sensor and thermal watchdog data sheet[DB/OL].（2004）[2010-01-09].http：//www.ic-on-line.cn/IOL/datasheet/lm75adp_1265950.pdf.

[3]周立功.I2C總線概要：產品應用手冊[M].廣州：廣州周立功單片機發展有限公司，2006.

[4]周立功.LPC900系列Flash單片機應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[5]李朝青．PC機及單片機數據通信技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002．

[6]王幸之，鐘愛琴，王雷，等．AT89系列單片機原理與接口技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2004．