基于Dallas单总线器件的多点信号采集系统设计说明

..学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□,在_________年解密后适用本授权书。2、不保密□。〔请在以上相应方框内打"√"作者签名：年月日导师签名：年月日目录摘要………………………1前言………………………11单总线动手术基础…………21.1单总线多器件控制系统概述…………21.2单总线的意义……………………31.3单总线处理次序………31.4信号方式…………41.5单总线器件…………61.6单总线技术的应用……………………62单总线多器件控制的设计原则……72.1硬件设计原则……………………72.2软件设计原则……………………82.3使用的算法……………………92.4预想设计方案……………………103系统模块介绍……………………113.1DS2190单总线桥接芯片…………113.2LF33CV低压降〔LD0调节器…………123.3A/D转换器DS2450……………………133.4可寻址控制开关……………………133.5集成稳压器LM317……………………153.6防静电保护二极管…………164DS2432的内部结构和加密原理设计………………174.1DS2432的内部结构……174.2DS2432的加密原理…………………185适配器的设计……………………195.1硬件电路设计……………………19USB接口电路设计………………195.1.2RJ-11桥接电路的设计…………205.2适配器软件设计…………216适配器通信信号性能测试…………236.1硬件可靠性设计……………………256.2软件可靠性设计……………………257总结与展望……………………25致谢………………26参考文献………………27附录……………………28基于Dallas单总线器件的多点信号采集系统设计学生：乐东指导赵胜会〔三峡大学科技学院摘要:美国Dallas公司近年推出的单总线技术及相应的集成芯片,用单片机可以组建成单总线技术的应用系统。文中具体说明了系统的硬、软件组成特点,在自动测控系统中的应用内部含有SHA-1加密引擎,可使硬件设计更安全可靠的DS2432自动加密电路,。根据DS2432的工作原理,提出一种带软件加密狗的1-Wire总线USB口适配器的设计方法,同时介绍硬件电路,对电路进行了分析和说明,给出软件加密流程。关键词:1-Wire线;USB口;适配器;加密电路DS2432Abstract:Inrecentyears,theUnitedStatesDallascompanyintroducedasingle-bustechnologyandtheintegratedchipcanbeformedintoasinglechipmicrocomputerbusapplications.Thepaperspecificallydescribesthesystemhardware,thesoftwarefeaturesintheautomaticcontrolsystemofinternalencryptionwithSHA-1engine,enablesamoresecureandreliablehardwaredesignDS2432automaticallyencryptedcircuit.AccordingDS2432works,presentsadonglewithsoftware,the1-WirebusUSBportadapterdesignmethod,alsodescribedthehardwarecircuit,thecircuitanalysisandexplanation,giventhesoftwareencryptionprocess.Keywords:1-Wirebus;USBport;adapter;encryptioncircuitDS2432前言随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展,基于现场总线技术的通信网络逐步取代分散式工业控制系统,成为计算机技术及电子技术应用领域中最具活力的一种边缘分支并取得巨大进步。美国美信公司设计的1-Wire总线是众多现场总线中极具竞争力的一种。具备能与计算机进行数字通信、总线负载量大、布线简练、精度高、性能稳定、价格便宜等诸多优点,特别是非常适合中短距离通信,是工业系统设计的高级境界。单总线测量网络的实现需要与PC主机相结合,所以在单总线组成的测量网络中,网络适配器是必不可少的,它担负着主机监控单元与网络节点之间数据传输的重要任务。USB接口总线具有高速传输、支持热插拔、即插即用、开发成本低等优点。DS2432提供一种紧凑的密钥存储方案,有效地降低了硬件仿制的可行性。据此,本文提出了一种基于DS2432的单总线USB口适配器的设计方法。目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。其中I2C总线以同步串行2线方式进行通信〔一条时钟线,一条数据线,SPI总线则以同步串行3线方式进行通信〔一条时钟线,一条数据输入线,一条数据输出线,而SCI总线是以异步方式进行通信〔一条数据输入线,一条数据输出线的。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。近年来,美国的达拉斯半导体公司〔DALLASSEMICONDUCTOR推出了一项特有的单总线〔1-WireBus技术。该技术与上述总线不同,它采用单根信号线,既可传输时钟,又能传输数据,而且数据传输是双向的,因而这种单总线技术具有线路简单,硬件开销少,成本低廉,便于总线扩展和维护等优点。现场总线技术。低压电器新一代产品实现了可通信、网络化,能与多种开放式的现场总线连接,进行双向通信,实现电器产品的遥控、遥信、遥测、遥调功能。现场总线技术的应用,不仅能对配电质量进行监控,减少损耗。而且,现场总线技术能对同一区域电网中多台断路器实现区域连锁,实现配电保护的自动化,进一步提高配电系统的可靠性。工业现场总线领域使用的总线有Profibus、Modbus、DeviceNet等,其中Modbus与Profibus的影响较大。1单总线技术基础1.1单总线多器件控制系统概述用于单主机系统,能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器,从机可以是单总线器件,它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时,系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时,系统则按多节点系统操作。图1.1单总线多接点系统示意图1.2单总线的定义单总线是一根在系统中用来完成数据控制和交换的数据线。设备〔主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线,以允许设备在不发送数据时能够释放总线,而让其它设备使用总线,其内部等效电路如图2所示。单总线通常要求外接一个约为4.7kΩ的上拉电阻,这样,当总线闲置时,其状态为高电平。主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成,分别为初始化1-wire器件、识别1-wire器件和交换数据。由于它们是主从结构,只有主机呼叫从机时,从机才能应答,因此主机访问1-wire器件都必须严格遵循单总线命令序列,即初始化、ROM、命令功能命令。如果出现序列混乱,1-wire器件将不响应主机〔搜索ROM命令,报警搜索命令除外。这些芯片采用CMOS技术,耗电量都很小,从单总线上"偷"一点电〔空闲时几μW,工作时几mW存在芯片内电容中就可正常工作了,故一般不用另附电源。单总线上通常处于高电位〔5V左右,每个器件都能在需要时驱动它。因此,挂在总线上的每个器件必须是漏极开路或者是三态输出的,这样,不工作时不会给总线增加功耗。单总线的数据传输有两种模式,通常以16.3kb/s的速率通信,超速模式可达142kb/s。因此,只能用于对速度要求不高的场合,一般用于100kb/s以下速率的测控或数据交换系统中。以上内容是单总线技术协议所要求的,各种芯片都具备这些基本内容,然后才进入某种具体的芯片功能,如A/D转换器、温度计等。应当指出,单总线技术作用距离在单片机I/O直接驱动下可达200m,经扩展可达1000m以上,允许挂上百个器件,能满足一般测控系统的要求。1.3单总线处理次序处理次序是软件设计的任务。在单总线系统中,软件设计是技术的关键。简洁的硬件配置是靠复杂的软件来支撑的。在PC机作主控机时,单总线软件设计基于Dallas公司授权的软件开发商提供的成套开发工具,为软件开发应用带来很大的便利。而用单片机作主控机时,得由自己依据单总线协议,用汇编语言和Ｃ语言来编写全部软件,给开发应用增加了一定的难度。处理次序保证数据可靠的传送,任一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。处理次序操作时,一般有以下四个过程：①初始化;②传送ROM命令;③传送RAM命令;④数据交换。单总线上所有处理都从初始化开始。初始化时序由总线命令者发出的复位脉冲和一个或多个从者发出的应答脉冲组成。"应答脉冲"是从者让总线命令者知道某器件是在总线上,并准备工作。其信号波形如图1.3所示。图1.3信号时序图单总线命令者首先必须发送7个ROM功能命令中的一个命令：①读ROM〔总线上只有一个器件时,如读DS2401的序列号;②匹配ROM〔总线上有多个器件时,寻址某个器件;③查找ROM〔系统首次启动后,须识别总线上各器件;④跳过ROM〔总线上只有一个器件时,可跳过读ROM命令直接向器件发送命令,以节省时间;⑤超速匹配ROM〔超速模式下寻址某个器件;⑥超速跳过ROM〔超速模式下跳过读ROM命令;⑦条件查找ROM〔只查找输入电压超过设置的报警门限值的某个器件。这些操作在手册中都有具体的命令码供编程使用。当成功执行上述命令之一后,总线命令者可发送任何一个可使用的命令来访问存储和控制功能,进行数据交换。所有数据的读写都是从最低位开始的。1.4信号方式所有的单总线器件都要遵循严格的通信协议,以保证数据的完整性。1-wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、读0和读1时序等几种信号类型。所有的单总线命令序列〔初始化,ROM命令,功能命令都是由这些基本的信号类型组成的。在这些信号中,除了应答脉冲外,其它均由主机发出同步信号,并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。图1.4是这些信号的时序图。其中,图4是初始化时序,初始化时序包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。主机通过拉低单总线至少480μs产生Tx复位脉冲；然后由主机释放总线,并进入Rx接收模式。主机释放总线时,会产生一由低电平跳变为高电平的上升沿,单总线器件检测到该上升沿后,延时15～60μs,接着单总线器件通过拉低总线60～240μsμ来产生应答脉冲。主机接收到从机的以应答脉冲后,说明有单总线器件在线,然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。图4中的〔a、〔b、〔c分别是写1、写0和读时序。在每一个时序中,总线只能传输一位数据。所有的读、写时序至少需要60μs,且每两个独立的时序之间至少需要1μs的恢复时间。图中,读、写时序均始于主机拉低总线。在写时序中,主机将在拉低总线15μs之内释放总线,并向单总线器件写1；若主机拉低总线后能保持至少60μs的低电平,则向单总线器件写0。单总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据,所以,当主机向单总线器件发出读数据命令后,必须马上产生读时序,以便单总线器件能传输数据。在主机发出读时序之后,单总线器件才开始在总线上发送0或1。若单总线器件发送1,则总线保持高电平,若发送0,则拉低总线。由于单总线器件发送数据后可保持15μs有效时间,因此,主机在读时序期间必须释放总线,且须在15μs的采样总线状态,以便接收从机发送的数据。

图1.4是这些信号的时序图1.5单总线器件通常把挂在单总线上的器件称之为单总线器件,单总线器件内一般都具有控制、收发、存储等电路。为了区分不同的单总线器件,厂家生产单总线器件时都要刻录一个64位的二进制ROM代码,以标志其ID号。目前,单总线器件主要有单总线桥接芯片<DS2190>、低压降〔LDO调节器<LF33CV>,A/D转换器〔如MC1433、防静电保护二极管〔如DS9520等。这里介绍一种iButton形式的单总线器件,它是利用瞬间接触来进行数字通信的,这些器件的应用已经渗透到货币交易和高度安全的认证系统之中。IButton是采用纽扣状不锈钢外壳封装的微型计算机晶片,它具有抗撞击、防水渍、耐腐蚀、抗磁扰、防折叠、价格便宜等特点,能较好的解决传统识别器存在的不足,同时又可满足系统在可靠性、稳定性方面的要求。1.6单总线技术的应用用单片机实现单总线应用,硬件连接简单,单片机并口P1、P2、P3中的任一位I/O端口都可以与单总线进行双向数据传输。用单片机对单总线系统进行现场长期监控是最经济实惠的方案,而且还可通过RS-232<或485>串行口与上位机PC连接,这样还能在Windows平台上进行更高一级的软件管理。单总线技术可广泛应用到社会各领域,这里只列举了环境状态监控的应用情况,其方法也完全可以应用于其他领域。环境状态监控系统通常用于程控通信机房、精密仪器室、档案馆、库房、宾馆客房、无人值守站、变电站等场所,实时监测现场环境中的温度、湿度、烟雾、浸水及非法侵入等情况,根据设定值自动报警并驱动相关执行器件。这是计算机在测控领域中典型应用的实例。通常的设计方案是选用一块性能符合要求的多路数据采集〔A/D卡,与单片机的并行口相连,再把各种传感器送来的模拟信号经多路转换开关连到A/D上,变成数字信号后交给计算机进行处理。这样设计至少有两大缺点：其一,要拉一大把线才能把现场传感器的信号送到采集卡上,布线施工麻烦,成本也高;其二,线路上传送的是模拟信号,易受干扰和损耗。因此,这种方案的性能价格比较低。采用单总线技术设计环境状态监控系统,只要一条双绞线〔一根为信号线,一根为地线从单片机拉向监控现场,然后将各种监控对象挂在其上就可以了,其示意图如图5所示。图中只画出了一个监控现场的配置,其布线接头与通常线路用的一样,插入和拔出都很方便。单总线多器件控制系统常用于监控室内温、湿度。因为温度计为直接数字输出,不需A/D转换器。湿度计、烟雾传感器、红外传感器和浸水报警需要A/D转换器进行判别。当温、湿度超过设定值就会通过开关DS2405来开启空调机、去湿机。烟雾传感器用做防火报警,当其输出电压超过A/D设定门限时就发出报警。对于红外式传感器,当有人侵入室内时,其输出电压可由A/D判知并告警。对于浸水报警,当置于地面上的探测器被水淹而短路,接通了监视电路,被计算机查询到后就会发出浸水报警。电子门锁和防非法侵入都是用DS2401序列号设计的。正常情况下,只有用对应的序列号钥匙才能打开房门。若非法侵入,门窗位移使磁控开关接通设置的序列号,则会发出报警。2.单总线多器件控制的设计原则2.1硬件设计下原则：1、系统在实现正常功能情况下成本要低,而且尽可能选择典型电路,便于硬件系统的标准化、模块化。2、系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适当余地,以便进行二次开发。3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现,以简化硬件结构。但要注意由软件实现的硬件功能,其响应时间要比直接用硬件实现长,而且占用CPU时间。因此,选择软化方案时,要考虑到这些因素。4、整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配,例如选用晶振频率较高时,存储器的存取时间有限,应该选择允许存取速度较高的芯片；选择CMOS芯片构成低功耗系统时,系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。防电磁干扰特性,采用金属外壳；5、系统的高可靠性、高抗干扰性。可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波,印刷电路板布线、通道隔离等。必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时,系统工作不可靠,解决的办法是增加驱动能力,增设线驱动器或者减少芯片功耗,降低总线负载。2.2软件设计原则软件根据系统功能要求设计可靠地实现系统的各种功能,一个优秀的应用系统的软件应具有下列特点：1、软件结构清晰、简捷、流程合理。2、各功能程序实现模块化,子程序化,便于调试、链接,又便于移植、修改。3、程序存储区,数据存储区规划合理,既能节约内存容量,又使操作方便。4、运行状态实现标志化管理。各个功能程序运行状态、运行结果以及运行要求都设置状态标志以便查询。程序的转移、运行、控制都可通过状态标志条件来控制。5、经过调试修改后的程序应进行规范化整理,除去修改"痕迹"。6、规范化的程序便于交流,借鉴,也为今后的软件模块化、标准化打下基础。7、实现全面软件抗干扰设计。软件抗干扰是计算机应用系统提高可靠性的有力措施。8、为了提高运行的可靠性,在应用软件中设置自诊断程序,在系统工作运行前先运行自诊断程序,用以检查系统各种特征状态参数是否正常。2.3使用的算法SHA算法概述:SHA<安全散列算法>是一种数据加密算法,该算法经过加密专家多年来的发展和改善已日益完善,是现在已公认的最安全的散列算法之一,并被广泛使用。该算法的思想是接受一串输入码<信息>,并把它们转化为长度较短、位数固定的输出序列即散列值<也称为信息摘要或信息认证代码>的过程。DS2432中实现的SHA算法是SHA21,它符合联邦信息发行标准18021。单向散列函数的特征是容易产生散列值,但由于它的输出不以任何可辨认的方式反映输入,所以从给定的散列值反求出输入信息非常困难。SHA将输入流按照每块512位<64个字节>进行分块,并产生20个字节的被称为信息认证代码的输出。DS2432采用16个32位字Mt<0≤t≤15>作为输入数据如表1所示CopyScratchpad。SHA算法涉及到一个称为Wt<0≤t≤79>的80个32位字的序列,一个称为Kt<0≤t≤79>的80个32位字的序列,一个布尔函数ft<B,C,D><0≤t≤79>,其中B、C和D为32位字,以及另外三个32位字,称为A,E和TEMP。SHA算法用到的操作有不带进位的算术加法<"+">,逻辑反或1的补码<"～">,异或<"Ý">,逻辑与<"∩">,逻辑或<"∪">,赋值<"=">,以及32位字的循环移动。表达式"Sn<X>"表示将X向左循环移n位,其中X是一个32位字。系统上电系统上电读取程序读注册码写缓存器读验证页读缓存器读存储器判断MAC程序禁止程序运行正确错误图2.3.SHA算法的工作流程图表CopyScratchpad命令的SHA-1的输入数据

表符号说明函数ft的定义如下:ft<B,C,D>=<B∩C>∪<<～B>∩D><0≤t≤19>ft<B,C,D>=BÝCÝD<20≤t≤39,60≤t≤79>ft<B,C,D>=<B∩C>∪<B∩D>∪<C∩D><40≤t≤59>常数序列Kt<0≤t≤79>的定义如下<16进制>:Kt=5A827999H<0≤t≤19>Kt=6ED9EBA1H<20≤t≤39>Kt=8F1BBCDCH<40≤t≤59>Kt=CA62C1D6H<60≤t≤79>常量A,B,C,D,E初始化如下:A=67452301H;B=EFCDAB89H;C=98B2ADCFEH;D=10325476H;E=C3D2D1F0H2.4预想设计方案结合课题设计方向及电气设计原则和所了解的相关知识,选用DS2490做为单总线桥接芯片,LF33CV做为低压调节器,DS2450做为A/D转换器,CD4051做为可寻址控制开关,LM371做为稳压器,为防止静电还需要静电保护二极管DS9502。由于要使用SHA算法来实现加密设计,可用DS2432做加密芯片,用RJ-11桥接电路来连接各器件,由单总线供电。3.系统模块介绍3.1DS2190单总线桥接芯片ALLAS公司生产的USB单总线桥接芯片,内部集成有USB收发器,USB控制器,USB单线转换器,单总线控制器等,可以实现USB信号与单协议信号之间互为转换。它符合USB1.1规范,采用差分方式传输串行数据,通行效率高达12Mbit/s,通信距离可达300M。通过VBUS,GND,D+,D-,与PC机USB接口连接,可产生规范的单总线时序信号,支持DALLAS全系列单总线器件和ibutton器件。DS2490引脚如下图图3.1DS2490引脚电路图VD：电源,可由USB口供电；1-Wire：单总线接口VB：USB总线功能电压Vpup：编程电压X1,X0：晶振连接端PMOD：保留引脚,通常与地连接SUSO：USB工作状态输出。D+,D-：USB差分数据线。GND：地线DS2490的功能表3.2LF33CV低压降〔LDO调节器图案3-2LF33CV低压降〔LDO调节器电路图

可编程调节器属于调节器的一种,可编程调节器又称数字调节器或单回路调节器。它是以微处理器为核心部件的一种新型调节器。它的各种功能可以通过改变程序〔编程的方法来实现,故称为可编程调节器。特点：1、具有常规模拟仪表的安装的操作方式,可与模拟仪表兼容。2、具有丰富的运算处理功能。3、一机多能,可简化系统工程,缩小控制室盘面尺寸。4、具有完整的自诊断功能,安全可靠性高。5、编程方便,无须计算机软件即可操作,便于推广。6、通信接口能与计算机联机,扩展性好。高性能、高可靠性、智能化、模块化且绿色环保。由于LF33CV除了具有较强的额定短路分断与额定短时耐受电流能力等较高的性能指标外,又可做到不降容使用,可以满容量长期使用而不会发生过热,从而实现安全运行。它可使断路器实现了脱扣器的智能化,使断路器的保护功能大大加强,可实现过载长延时、短路短延时、短路瞬时、接地、欠压保护等功能,还可以在断路器上显示电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等系统运行参数,并可以避免高次谐波的影响下发生误动作。3.3.A/D转换器DS2450在单总线上直接挂上A/D转换器,会使系统的检测功能大大增强。各种物理量只要通过传感器变为电压量,就可由A/D采集后经单总线送到计算机进行处理。Dallas公司1999年推出的DS2450就是这样的A/D转换器,其主要特性为：·4路模拟输入通道,两种模拟输入量程为0~2.56V和0~5.12V;

·未用做输入的通道可作为输出通道使用;

·一个数据口,以16.3kb/s的速率通信,超速模式可达142kb/s;

·逐次逼近的变换原理,可选择的8位转换精度;

·响应模拟电压超门限报警设置;

·不用另接电源和外围电路;

·8脚SOIC封装。3.4可寻址控制开关CD4051在测控系统中,开关量控制是应用最多的。对计算机来讲,只要送出一位0或1控制码信号,就可用它去触发被控电路。通常是先触发光电耦合器,然后启动继电器、晶闸管或固体继电器,视被控设备功率大小选用合适的开关器件。本系统选用了单端8通道模拟多路开关CD4051。它由电平位移电路,带禁止端INH的8选1译码器和由该译码器对各个输出分别加以控制的八个CMOS双向模拟开关组成。其引脚如图3.4a所示。INH为高电平时,八路通道全部不通。A、B、C分别为输入选通地址端,0-7为八路模拟输入信号端,COMMON端为被选通模拟信号的输出端CD4051传送的信号范围从VFE到VDD。由于环境因子的采样信号幅值为0～2V,所以将VEE端与Vss端相连并接地,VDD端接电源端Vcc,使得信号传送范围为O-Vcc,即0～+5V,INH,A,B,C四端连接四根地址线,控制信号的选通,其真值表见表3.4b。选通的信号从COMMON端送到A/D电路。图3.4a图3.4aCD4051引脚及连线表3.4bCD4051真值表表3.4bCD4051真值表3.5集成稳压器LM317图3.5LM317示例电路LM117/LM317

是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用,是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。LM117/LM317

的输出电压范围是

1.25V

至

37V,负载电流最大为2.2A。使用它时仅需两个外接电阻来设置输出电压。它具有比较好的线性调整率和负载调整率。LM117/LM317

内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

通常

LM117/LM317

不需要外接电容,除非输入滤波电到

LM117/LM317

输入端的连线超过

6

英寸〔约

15

厘米。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。

LM117/LM317

能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上,可以用来调节高达数百伏的电压,只要输入输出压差不超过

LM117/LM317

的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上,实现可编程的电源输出。用LM317T制作可调稳压电源,常因电位器接触不良使输出电压升高而烧毁负载。如果增加一只三极管,在正常情况下,T1的基极电位为0,T1截止,对电路无影响；而当W1接触不良时,T1的基极电位上升,当升至0.7V时,T1导通,将LM317T的调整端电压降低,输出电压也降低,从而对负载起到保护作用。如去掉三极管、断开W1中心点连线,3.8V小电珠立刻烧毁,测输出电压高达21V。而加有T1时,小电珠亮度减小,此时

LM317T输出电压仅为2V,从而有效的保护了负载。

LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块,是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317系列稳压块的型号很多：例如LM317HVH、W317L等。可以用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。稳压电源的输出电压可用下式计算,Vo＝1.25〔1＋R2/R1。〔注R1和R2的阻值是不能随意设定的。317稳压块的输出电压变化范围是Vo＝1.25V—37V〔高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等,其输出电压变化范围是Vo＝1.25V—45V,所以R2/R1的比值范围只能是有的0—28.6。317稳压块都有一个最小稳定工作电流〔即最小输出电流,最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时,317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时,317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时,没有注意317稳压块的最小稳定工作电流,那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。在应用中,为了电路的稳定工作,在一般情况下,还需要接二极管DS9502作为保护电路,防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。3.6防静电保护二极管在单总线线路的末端,为防止处在开路状态易受静电等干扰侵入,通常都接上DS9502之类的防静电<可高达27kV>保护二极管。图3-6DS9502电路图4.DS2432的内部结构和加密原理设计4.1DS2432的内部结构DS2432[2]是倒装芯片,有8个引脚,将控制、寻址、数据和电源集于一个数据引脚,可以在-40℃～+85℃,2.8V～5.25V的宽电压范围内进行读、写操作,内置多点控制。其引脚排列如图图4.1aDS2432引脚排列图

DS2432的内部原理框图如图4.1b所示。该电路主要由64位掩模ROM、64位暂存器、4个32字节的EEPROM、64位寄存器、64位密钥存储器及512位SHA-1<安全散列算法>引擎6个主数据部件组成。图4.1bDS2435内部原理图4.2DS2432的加密原理DS2432有四个存储区:数据存储器、密钥存储器、含有特定功能和用户字节的寄存器页和暂存器。数据存储器每页32个字节。密钥、寄存器页和暂存器均为8字节。向数据存储器写数据、装载初始密钥,或者向寄存器页写入数据时,暂存器作为缓存器使用。数据存储器、密钥存储器和寄存器页位于线性地址空间中。数据存储器和寄存器页对读访问没有限制,但向数据存储器和寄存器页写数据时则需要知道密钥。密钥的安装有二种方法,一是把数据从暂存器复制到密钥存储器;二是当前密钥和暂存器内容经过运算后生成新的密钥。密钥不能直接读取,只有SHA引擎能够访问它,计算信息鉴定码MAC。地址0088H-008FH为寄存器页,含有特定功能寄存器、通用用户字节以及1个工厂字节。一旦编程为AAH或55H,这些字节中的大多数将被写保护而不能再更改。其他所有代码既不能写保护,也不能激活与这个特定字节相关的特殊功能。特殊功能包括仅写保护密钥;同时写保护4个数据存储器页;仅激活数据存储器页1的EPROM模式;仅激活数据存储器页0的EPROM模式。一旦EPROM模式被激活,在数据存储器未加写保护的情况下,地址0020H-003FH中的位只能从逻辑1改为逻辑0。若读取到的地址设为55H,表明地址008E和008F是可读/写的用户字节,没有任何特定功能和锁定机制。代码AAH表明这二个字节被编程为16位的ID,并且被加写保护。主机与1-Wire设备进行通信时,用户要提供16位的ID识别码,用来协助应用软件识别包含DS2432的1-Wire网络适配器。5.适配器的设计5.1硬件电路设计适配器需2个接口电路分别与计算机主机系统和1-Wire网络进行通信。与主机系统进行通信主要通过USB协议实现,称为USB接口电路;与1-Wire网络之间的通信通过USB到1-Wire总线的桥接电路DS2490S实现,但需1个RJ-11插座,称为RJ-11桥接电路。本设备采用USB总线的供电方式。USB接口电路设计USB接口电路的原理如图所示。图USB接口电路原理图R3是上拉电阻器,它可使USB口的D+端上拉到DS2490S的VB端,表示USB主机系统是高速设备,同时这个上拉电阻器告诉主机有USB设备插入。该上拉电阻器的设置对适配器的影响很大,它的负载值和1-Wire网络的总长决定1-Wire总线电压上升到5V的速度。经过实验测试选择R3的阻值为27Ω±10%。R1、R2为USB数据线保护电阻器。L1、L2具有禁止高频干扰并且减弱EMI辐射的功能。LF33CV为3.3V电压稳压器,与周围元件C1、C2组成强上拉部分,给EEPROM或温度传感器等器件提供额外的电源。RJ-11桥接电路的设计RJ-11桥接电路的原理如图5.1.2a所示。图5.1.2aDS2490S[3]是USB口与1-Wire器件的桥接电路,可直接连至USB主机系统。它可产生严格定时和受电压摆率控制的1-Wire波形,并且可满足USB接口通信协议的要求,保证USB口与1-Wire器件正常、安全地通信。晶体振荡器电路主要由X1构成,在整个系统中非常重要,可保证DS2490S稳定工作。为了产生12Mb/s的USB总线速率,系统使用12MHz的晶体振荡器。电容器的接入是为了使晶体振荡器更容易起振。肖特基二极管D1,D2可消除来自于ESD采样数的尖峰信号或通过分别导通D1,D2至GND,交叉耦合其他的邻近电缆,防止1-Wire总线过电压。电阻器R5可限制ESD的电流并保护D1和D2。R4、R5和D3组成谐振电路,其特有的静电晶体振荡器放电功能可对1-Wire总线起到保护作用。建议在1-Wire网络应用中使用阻抗约100Ω非屏蔽双绞电缆。在本电路设计中考虑到这方面的原因,将R4、R5的阻值定为1kΩ,满足了适配器数据通信的要求。整体电路原理如图b所示。图b整体电路原理图5.2适配器软件设计软件设计[4]主要包括计算机端USB接口驱动程序模块设计和DS2490S桥接模块与读取DS2432模块的固件设计。在设计中将软件程序模块化,可方便调试和完善。本适配器软件的设计是在Win-dows2000系统环境下进行的,设计工具是VisualC++和DriverStudio。加密软件流程,如图5.2所示。NNYYN0FHWriteScrachpad主机总线发送"TX"复位命令DS2432RESET将8个字节密钥写入暂存器SAHLOADSecreBusMasterTXTA1<77:T<1>,TA2〔715：78>andE/SByte读密钥地址？M-1Auth.CodeMatch?DS2432将暂存器数据记为密钥SHA-1引擎激活,计算MAC身份认证码延迟2ms主机获得用户密码主机计算MAC信息鉴定码NAahReadScratchpadCheckMAC?延迟10ms33HRcadROMCommand?CCHSkipROMCommand??BCHSearchROMCommand?55HMatchROMCommand?NNY69HOverdriveMatchROM?3CHDverdriveSkipROM?A5HResumeCommand?N图5.2加密软件流程图

图5.26.适配器通信信号性能测试对于远程1-Wire测量网络的通信,在核实信号时,尤其是在电缆末端,必须使用差分探测器和探测器的地浮动参考。另外,探测器的地连接将设旁路1-Wire参考地并改变系统的拓扑。如果没有采用差分探测器,必须从总线地通过变压器或使用电池供电的示波器隔离示波器的地。二者选其一来分离示波器电源供电电缆的安全地。当从远端反射信号时,在图形下降沿末尾的中心会产生一些波动<俗称"鞍">,这是传输线的自然动作。电缆短于100m时看不到该"鞍"。由于条件所限,本适配器的通信信号性能测试在实验室内进行。将适配器接入主机USB接口,再将示波器接入主机,来扫描适配器传输的信号。图6所示为示波器扫描时序。由图中可以看出输入/输出信号的时序基1-Wire器件的信号时序,未出现尖峰或混沌现象,适配器的工作基本稳定。图6所示为示波器扫描时序6.1硬件可靠性设计用于工业控制场合的系统对可靠性有较高的要求,只有具有较高可靠性的系统才具有实用价值。系统的可靠性包括软件的可靠性和硬件的可靠性。单片机硬件系统的抗干扰能力与元器件质量、装配质量等因素都有关系,但其中起决定作用的是设计过程,因此在设计中我们采取了以下抗干扰措施:<1>采用光电隔离;<2>采用过压保护电路;<3>采用抗干扰稳压电源;<4>采用良好的接地系统。6.2软件可靠性设计软件部分可靠性主要通过抗干扰设计实现,其中本系统中的抗干扰设计主要包括以下部分:<1>采用数字滤波方法来抑制输入通道的干扰;<2>对数字输出信号处理;<3>对部分关键控制设备的运行状态进行监测;<4>采用指令冗余、软件陷阱、"看门狗"等方法避免程序混乱。7.总结与展望基于Dallas单总线器件的多点信号采集系统,与传统的实际方法相比,设计简单具有较高的性价比。同时可靠性高,操作灵活,系统简明直观。在分布式微机测控领域的到了广泛的使用。用DS24910解决了PC机USB与单总线的接口问题,使USB控制单总线更加灵活。片机单总线技术比采用传统的方案具有较高的性能价格比。而且,可以看出该技术具有以下特点：适用于低速测控场合;测控对象越多越显示其优越性;性价比高;硬件施工、维修方便;抗干扰性能好;具有CRC校验功能,可靠性高;软件设计规范;系统简明直观,易于掌握。因此,积极推广单总线技术的应用会有较好的经济效益和社会效益。单总线技术以其线路简单、硬件开销少、成本低廉、软件设计简单优势而有着无可比拟的应用前景。基于单总线的iButton技术能较好地解决传统识别器普遍存在的携带不便、易损坏、易受腐馈、易受电磁干扰等不足,可应用于高度安全的门禁、身份识别等领域。其通信可靠简单,很容易实现。由于单片机构成的应用系统可靠性高。系统配置规范控制功能具有预想性,变动控制方案容易。具有较高的性价比。因此单总线技术有着广阔的应用前景,是值得产注的一个发展领域。致谢从拿到课题到现在已有数月之久了,记得刚拿到课题的那一刻,一脸茫然,不知从何下手,到现在终于顺利完成了论文.整个过程一波三折,让我受益匪浅,我不但真正体会到学术的严谨性,而且让自己的知识结构得到一次升华。今天取得的成绩的取得都凝聚着许多人的心血,离不开大家的帮助.在此我衷心地感谢赵胜会老师,赵老师在我论文完成期间认真负责地给予我深刻而细致地指导,帮助我开拓研究思路,精心点拨、热忱鼓励,给予了大力支持,提出了很多宝贵的意见,在赵老师的帮助下,我学到了更多的专业知识,并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。同时我也要感谢我的同学给予我的帮助,他们为我撰写论文提供了不少建议和帮助我终于顺利完成了毕业设计。再次感谢大家,在一起生活和工作学习的美好时光里,你们给予我的真诚的鼓励和无私的帮助是终生难忘的。参考文献:[1]谭立勇.1-Wire技术概括[J].数据通信,2004.[2]DS2432-带有SHA-1引擎保护的1-WireEE-PROM[Z].MaximIntegratedProducts,Inc.,2004.[3]DS2490UniversalSerialBusDescriptors[Z].

[4]Dallas.ProductsdataBook,1999

[5]吴江,陈尚松.单总线技术在测控系统中的应用.电测与仪表,1999<9>

[6]吴江,陈尚松.用单总线技术设计环境状态监控系统.电子技术应用,2000[7]任雁胜,基于单总线智能温度传感器的电脑温控系统[J].XX工业大学学报,20XX06期.[8]