遠距離溫度信息傳輸穩定性研究

Research on the Stability of Remote Temperature Information Transmission

王葉南　陳江華

(西北民族大學電氣工程學院，甘肅 蘭州　730030)

遠距離溫度信息傳輸穩定性研究

Research on the Stability of Remote Temperature Information Transmission

王葉南陳江華

(西北民族大學電氣工程學院，甘肅 蘭州730030)

摘要：數字式溫度傳感器DS18B20在工農業已得到廣泛的應用。針對DS18B20進行遠距離溫度采集時會出現溫度信息不穩定的現象，對DS18B20通信協議以及溫度信息傳輸的原理進行了研究，發現導線的分布電容和電磁干擾是影響溫度信號遠距離傳輸不穩定的主要因素。提出了改變導線的上拉阻值和采用屏蔽技術的解決方案。實測結果表明,該解決方案可顯著提高遠距離溫度采集傳輸的穩定性，進而保證溫度采集系統的可靠性。

關鍵詞：DS18B20上拉電阻通信協議溫度采集穩定性

Abstract：Although digital temperature sensor DS18B20 has been widely used in industry and agriculture, the unable phenomenon of temperature information occurs when collecting temperature remotely. The communication protocol of DS18B20 and the principle of temperature information transmission are researched. It is found that the distributed capacitance of the wire and electromagnetic interference are the main factors cause the instability. The solution of changing the pull-up resistance of the wire and using shield technology is proposed. The result of practical test indicates that this solution significantly increases the stability of the remote temperature acquisition and transmission, thus ensures the reliability of the temperature acquisition system.

Keywords：DS18B20Pull-up resistorCommunication protocolTemperature collectionStability

0引言

隨著信息自動化技術的快速發展，遠距離溫度采集和控制系統在各行各業得到了廣泛的應用，尤其是在工業生產和農產品儲藏領域的應用更為普遍[1]。如果生產儲藏環境的溫度得不到穩定有效的監控，往往會直接導致事故的發生，造成經濟損失。在數字測溫和控制領域內，數字溫度傳感器DS18B20應用極其廣泛，但在使用DS18B20進行遠距離溫度采集傳輸過程中，常常會出現數據采集不穩定、誤差較大等問題。針對這些問題，本文通過研究溫度傳感器的工作原理，結合實踐，提出了相應的解決方案，顯著提高了溫度采集工作的穩定性和可靠性。

1溫度信息采集傳輸原理

DS18B20在采集傳輸溫度信號時，采用嚴格的單總線通信協議，保證數據的完整性[2]。該協議規定了多個信號脈沖形式：復位脈沖、寫脈沖和讀脈沖，如圖1所示。DS18B20的所有通信都由初始化序列脈沖開始，初始化序列由主控制器發出的復位脈沖和DS18B20發出的存在脈沖組成，如圖1(a)所示。主機在寫時隙向DS18B20寫入數據，并在讀時隙從DS18B20讀入數據，且在單總線上每個時隙只傳送一位數據[2]，如圖1(b)、圖1(c)所示。在通信過程中，每個脈沖形式都必須遵循嚴格的時序，這樣才能準確穩定地實現溫度信號的采集與傳輸。

圖1　單總線信號脈沖

2影響溫度信息采集傳輸穩定性因素分析

當系統采用DS18B20進行溫度信息采集時，若導線傳輸溫度信息時不能嚴格遵循單總線協議，則DS18B20無法準確識別溫度信息。這必定造成采集的溫度信息準確性差、數據不穩定等問題[3]。研究發現，導線的分布電容和電磁干擾的存在是導致溫度信息采集傳輸不穩定的主要因素。

2.1　導線的分布電容對脈沖信號的干擾

DS18B20與主控制器通過三根導線相連接，當三根導線緊密地排列在一起時，這些導線之間不可避免地會產生電容效應，如圖2所示。電纜的分布電容主要由雙絞線的兩條平行導線產生，數字信號通過傳輸線時，分布電容會出現充放電過程，引起矩形脈沖的上升沿和下降沿時間延長，造成波形畸變。電容越大或者脈沖信號的頻率越高，畸變越嚴重。因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統設計時，要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題[4]。

圖2　導線分布電容等效電路

當電纜的長度較短時，導線間的分布電容較小，導線間的容抗較大，對溫度采集不會造成影響。但如果電纜的長度增加到一定程度時，針對微秒級數據脈沖信號，其電容值可達零點幾個微伏級。在溫度采集回路中，分布電容會導致數據脈沖信號跳變時間增大，如圖3所示。當電纜長度達到30 m時，跳變的上升沿時間大于7 μs，不符合DS18B20對讀寫時序的要求，因此無法獲得穩定準確的溫度值。

圖3　分布電容造成跳變時間增加

2.2　電磁對導線傳輸信號的干擾

電纜的電磁輻射問題是電子系統工程中最常見的問題之一。由于電纜本身就是一根高效的接收和輻射天線[5]，因此當電纜中的導線平行傳輸的距離增長時，導線之間就會存在較大的互電感，這會導致導線之間發生信號的串擾。電磁對導線傳輸信號的干擾有兩種：一種是兩根導線分別作為往返線路傳輸，稱為“差模”；另一種是兩根導線作去路，地線作返回路傳輸，這種稱為“共模”[6]。電纜上的差模干擾電流和共模干擾電流可以通過電纜直接進入電子設備的電路模塊，從而干擾電路的穩定性。在DS18B20傳感器電路中，主要是“共模”因素干擾溫度采集回路中的信號。

3溫度信息傳輸不穩定解決方案

3.1　調整上拉電阻阻值

不同傳輸線的容抗相差很大，估算信號畸變的允許程度和容抗的允許值，合理布線，可減少容抗。電纜中的容抗干擾造成脈沖信號延誤變形，使得主控制器和DS18B20間的通信不能嚴格遵循單總線協議。DS18B20上拉電阻R的阻值是一個極其重要的參數，它的作用是加快上升沿、增加數據線的電流，其阻值的大小直接影響著讀寫時序中上升沿的快慢[7]。

當采用較長的導線來連接DS18B20時，導線上的電阻變大，上拉電阻相應減小。因此，增大上拉能力，使信號符合DS18B20的讀寫時序[8]，試驗數據如表1所示。由表1可知，當導線長度從10 m逐漸增加到100 m時，上拉電阻由參考值4.7 kΩ逐漸減小，必須增大上拉能力，才能使脈沖信號正常，溫度值穩定。因此，在系統硬件設計時，根據距離長度不同，可以通過使用相應的上拉電阻來獲得穩定的溫度信號。

表1　試驗測試結果

3.2　消除電磁干擾

消除電磁干擾的方法有多種，在實際應用中應根據需求不同靈活采用。最為有效的方法是利用屏蔽技術減少電磁干擾[9]。為有效地抑制電磁的輻射及高次諧波引發的噪聲電流，在長距離采集溫度信號時，導線需要采用雙屏蔽或單屏蔽的雙絞線，且屏蔽層應盡可能靠地[7]。除了利用屏蔽技術，還利用布線技術改善電磁對信號的干擾。DS18B20信號線應獨立于其他電

纜走線，同時應避免信號線與其他電纜長距離平行走線，以減少脈沖信號快速變化而產生的電磁干擾。控制導線和電源線交叉時，應盡可能使它們按 90°角交叉[10]。這些措施能最大程度地減少由導線產生的干擾信號，從而獲得穩定的溫度數據。

4結束語

本文研究了影響DS18B20通信協議的兩個主要因素:導線的分布電容和電磁干擾。結合試驗數據，采用調整上拉電阻和使用屏蔽線的措施，使DS18B20溫度采集范圍大大提高，保證溫度采集系統的穩定性。該方案已應用于西北地區馬鈴薯貯藏窖的溫控系統中，改善了遠距離傳輸溫度信息的不穩定性，達到了良好的測量與傳輸溫度信息的效果。

參考文獻

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中圖分類號：TP216

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507023

修改稿收到日期：2014-10-22。

第一作者王葉南(1984-)，女，2010年畢業于電子科技大學通信與系統專業，獲碩士學位，講師；主要從事于通信電子線路和單片機原理的教學與科研工作。