引言

　　無論是在日常生活還是在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度都是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。所以，對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量和傳輸，一直都是研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法包括專門鋪設(shè)有線通信線路傳輸溫度數(shù)據(jù)（如采用RS485總線結(jié)構(gòu)）和采用無線通信傳輸溫度數(shù)據(jù)（如藍(lán)牙，GPRS等）。傳統(tǒng)的鋪設(shè)專有的通信線路的方法設(shè)計(jì)成本較高、施工麻煩、出現(xiàn)問題時(shí)很難排除，已經(jīng)很難適應(yīng)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)的需求。采用無線的方式則具有不用布線、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，但是其設(shè)計(jì)成本也相應(yīng)的非常高。而在現(xiàn)代社會(huì)中，電力線幾乎無處不在，因此，本文提出了一種基于電力線通信的溫度采集系統(tǒng)，無需專門鋪設(shè)通信線路，能夠大大降低設(shè)計(jì)成本。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　1.1 溫度檢測(cè)模塊總體構(gòu)架

　　溫度檢測(cè)模塊中，STC12LE5A60S2是主控芯片，由電源模塊、LCD顯示、電力線通信芯片RISE3501、DS18B20溫度傳感器、RS232等電路構(gòu)成?？傮w構(gòu)架如圖1所示。

　　圖1 溫度檢測(cè)模塊總體構(gòu)架

　　1.2 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)采用主從式的工作模式，在滿足電力線通信距離的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，放置一個(gè)嵌入式上位機(jī)、一個(gè)主機(jī)模塊和多個(gè)溫度檢測(cè)模塊，如圖2所示。嵌入式上位機(jī)可以發(fā)起抄溫度的指令給主機(jī)模塊，主機(jī)模塊則通過電力線抄寫相應(yīng)模塊的。

　　圖2 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　溫度，并將溫度數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。例如：在某居民小區(qū)，每戶人家放置一個(gè)檢測(cè)模塊，整個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)主機(jī)模塊和上位機(jī)，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)內(nèi)每戶人家的溫度采集。

　　本文主要實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)模塊和主機(jī)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，可以更改溫度檢測(cè)模塊的主控芯片內(nèi)的程序，從而將其當(dāng)做主機(jī)模塊使用。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 電源模塊

　　2.1.1 220V交流電轉(zhuǎn)16V直流電

　　變壓器將220V交流電轉(zhuǎn)換為16V交流電，橋式整流電路將16V交流電轉(zhuǎn)化為直流電，通過電容電感濾波后得到大約16V直流電。這個(gè)16V直流將直接給電力線通信芯片的發(fā)送電路的功率放大器供電。如圖3所示。

　　圖3 220V交流轉(zhuǎn)16V直流

　　2.1.2 16V電壓轉(zhuǎn)化為5V電壓

　　使用78M05電源芯片將16V直流電轉(zhuǎn)化為5V直流電。這個(gè)5V直流電將給DS18B20溫度傳感器供電。如圖4所示。

　　圖4 16V電壓轉(zhuǎn)5V電壓

　　2.1.2 5V電壓轉(zhuǎn)3.3V電壓

　　使用AP1117將5V直流電轉(zhuǎn)化為VCC3.3V電壓。再通過磁珠F-BEAD分出來VCCA3.3V，VCCA3.3V將給電力線通信芯片的接收電路供電。

　　圖5 5V電壓轉(zhuǎn)3.3V電壓

　　2.2 主控芯片STC12LE5A60S2

　　本系統(tǒng)采用具有兩個(gè)串口的STC12LE5A60S2作為系統(tǒng)的主控單片機(jī)。其特點(diǎn)如下：

　　是單時(shí)鐘周期、高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，但速度快8~12倍。片上集成60K Flash存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)程序和溫度數(shù)據(jù)，非常有利于系統(tǒng)的軟件的升級(jí)換代。

　　該單片機(jī)具有雙串口，這是選擇這款單片機(jī)最主要的原因之一。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用其中的一個(gè)串口和電力線通信芯片進(jìn)行通信，從而控制電力線通信芯片收發(fā)數(shù)據(jù)。另一個(gè)串口則用于下載程序、打印系統(tǒng)調(diào)試信息以及和上位機(jī)通信（溫度檢測(cè)模塊用作主機(jī)模塊時(shí)）等。

　　無需專用下載器，無需專用仿真器，可通過串口直接下載用戶程序。從而降低了設(shè)計(jì)開發(fā)的難度，降低了設(shè)計(jì)成本。

　　2.3 電力線通信電路

　　本系統(tǒng)使用RISE3501實(shí)現(xiàn)電力線通信。RISE3501是一款智能型電力載波控制芯片，內(nèi)部集成電力收發(fā)模塊，F(xiàn)lash、SRAM以及 8位處理器內(nèi)核。設(shè)計(jì)符合EIA-709.1和EIA-709.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

　　RISE3501可以通過串口和主控單片機(jī)通信。單片機(jī)將滿足645規(guī)約的指令和數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給RISE3501，RISE3501則通過電力線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當(dāng)RISE3501從電力線上接收到發(fā)給自己的數(shù)據(jù)時(shí)，其將數(shù)據(jù)收下，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給主控單片機(jī)。

　　2.4 LCD顯示模塊

　　本系統(tǒng)使用6位筆段式LCD EDS826來顯示當(dāng)前溫度，采用HT1621B 驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)EDS826的顯示。這里不使用STC12LE5A60S2單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)EDS826，這樣可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減輕主控單片機(jī)的任務(wù)，從而有利用系統(tǒng)的升級(jí)與擴(kuò)展。其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　圖6 LCD顯示電路

　　2.5 溫度檢測(cè)電路

　　本系統(tǒng)的溫度傳感器使用DS18B20。DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)以9 位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值。通過一個(gè)單線接口發(fā)送或接收信息，因此在主控單片機(jī)和DS18B20 之間僅需一條連接線（加上地線）。測(cè)溫范圍-55~+125℃，以0.5℃遞增。溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間200ms（典型值）。電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　圖7 溫度檢測(cè)電路

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在本系統(tǒng)中，主機(jī)模塊的硬件和溫度檢測(cè)模塊的硬件是完全相同的，但是運(yùn)行在主機(jī)模塊內(nèi)的程序和運(yùn)行在溫度檢測(cè)模塊內(nèi)的程序不同。

　　3.1 主程序設(shè)計(jì)

　　3.1.1 主機(jī)模塊的主程序流程圖如圖8所示。主要分為以下幾步：

　?。?） 系統(tǒng)上電復(fù)位后，主程序初始化LCD顯示的驅(qū)動(dòng)芯片HT1621B、初始化溫度傳感器DS18B20、初始化串口1和串口2、復(fù)位電力線通信芯片RISE3501。

　?。?） 初始化完成后，單片機(jī)檢測(cè)和RISE3501的連接狀態(tài)，如果沒有連接好，RISE3501將會(huì)通過串口2不斷的給單片機(jī)發(fā)送握手序列，此時(shí)單片機(jī)給RISE3501回復(fù)滿足645規(guī)約的指令，將RISE3501置于發(fā)送模式。

　?。?） 接下來是溫度的顯示。在應(yīng)用中，主程序沒有必要隨時(shí)去讀取溫度來顯示，所以，這里設(shè)置一個(gè)變量來劃分時(shí)間，時(shí)間間隔大約1000ms，變量減為0時(shí)，單片機(jī)讀取溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給HT1621B，HT1621B驅(qū)動(dòng)LCD顯示出來。

　?。?） 然后，單片機(jī)判斷上位機(jī)是否給自己發(fā)來數(shù)據(jù)。前面提到，上位機(jī)通過串口1和單片機(jī)通信。如：當(dāng)上位機(jī)需要抄寫溫度時(shí)，通過串口1給單片機(jī)發(fā)送抄寫溫度的指令。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到串口1有數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)接收下來，并解析數(shù)據(jù)包含的指令信息。

　?。?）接下來，主機(jī)模塊的單片機(jī)判斷是否需要抄寫從機(jī)的溫度。需要抄寫時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行抄寫溫度的代碼，并將抄寫的溫度數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。

　　至此，一個(gè)主程序流程走完，程序返回到（2）的位置，檢測(cè)單片機(jī)和RISE3501的狀態(tài)。需要再次檢測(cè)單片機(jī)和RSIE3501的連接狀態(tài)的原因是：當(dāng)RISE3501與單片機(jī)握手成功后，其90秒后會(huì)再次發(fā)送握手指令，以確保與單片機(jī)的連接。所以，主程序需要循環(huán)檢測(cè)單片機(jī)與RISE3501的連接狀態(tài)。

　　圖8 主機(jī)模塊的主程序流程圖

　　3.1.2 溫度檢測(cè)模塊的主程序

　　溫度檢測(cè)模塊的主程序流程圖如圖9所示。主要分為以下幾步：

　?。?） 系統(tǒng)初始化（和主機(jī)模塊相同）。

　?。?） 單片機(jī)和RISE3501握手，且將RISE3501置于接收模式，隨時(shí)準(zhǔn)備接收主機(jī)模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)。

　?。?） 讀取溫度并顯示（和主機(jī)模塊相同）

　?。?） 如果收到主機(jī)模塊的抄溫度請(qǐng)求，則將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)模塊。

　?。?） 返回步驟（2）

　　圖9 溫度檢測(cè)模塊的主程序流程圖

　　3.2 與電力線通信相關(guān)的程序設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)使用RISE3501實(shí)現(xiàn)電力線通信。通信的數(shù)據(jù)格式滿足645規(guī)約?？梢酝ㄟ^軟件給RISE3501設(shè)定唯一的地址，這個(gè)地址也就是本模塊的地址。

　　3.2.1 645規(guī)約規(guī)定的數(shù)據(jù)格式

　　每字節(jié)含8 位二進(jìn)制碼，傳輸時(shí)加上一個(gè)起始位(0)、一個(gè)偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位(1)，共11 位。其傳輸序列如圖7。D0 是字節(jié)的最低有效位，D7 是字節(jié)的最高有效位。先傳低位，后傳高位。

　?。?） 幀格式

　　幀是傳送信息的基本單元。幀格式如上表所示。

　　幀起始符 68H：標(biāo)識(shí)一幀信息的開始，其值為68H=01101000B。

　　地址域A0～A5：地址域由6 個(gè)字節(jié)構(gòu)成，每字節(jié)2 位BCD 碼。地址長(zhǎng)度可達(dá)12 位十進(jìn)制數(shù)，可以為表號(hào)、資產(chǎn)號(hào)、用戶號(hào)、設(shè)備號(hào)等。具體使用可由用戶自行決定。當(dāng)使用的地址碼長(zhǎng)度不足6 字節(jié)時(shí)，用十六進(jìn)制AAH 補(bǔ)足6 字節(jié)。低地址位在先，高地址位在后。當(dāng)?shù)刂窞?99999999999H 時(shí)，為廣播地址。

　　控制碼 C：控制碼的格式如下所示：

　　D7=0：由主站發(fā)出的命令幀

　　D7=1：由從站發(fā)出的應(yīng)答幀

　　D6=0：從站正確應(yīng)答

　　D6=1：從站對(duì)異常信息的應(yīng)答

　　D5=0：無后續(xù)數(shù)據(jù)幀

　　D5=1：有后續(xù)數(shù)據(jù)幀

　　D4～D0：請(qǐng)求及應(yīng)答功能碼

　　00000：保留

　　00001：讀數(shù)據(jù)

　　00010：讀后續(xù)數(shù)據(jù)

　　00011：重讀數(shù)據(jù)

　　00100：寫數(shù)據(jù)

　　01000：廣播校時(shí)

　　01010：寫設(shè)備地址

　　01100：更改通信速率

　　01111：修改密碼

　　10000：最大需量清零

　　數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L：L 為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。讀數(shù)據(jù)時(shí)L≤200，寫數(shù)據(jù)時(shí)L≤50，L=0 表示無數(shù)據(jù)域。

　　數(shù)據(jù)域DATA：數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)、密碼等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變。傳輸時(shí)發(fā)送方按字節(jié)進(jìn)行加33H 處理，接收方按字節(jié)進(jìn)行減33H 處理。

　　校驗(yàn)碼CS：從幀起始符開始到校驗(yàn)碼之前的所有各字節(jié)的模256 的和，即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，不計(jì)超過256 的溢出值。

　　結(jié)束符 16H：標(biāo)識(shí)一幀信息的結(jié)束，其值為16H=00010110B。

　　在發(fā)送幀信息之前，先發(fā)送 1～4 個(gè)字節(jié)FEH，以喚醒接收方。

　　所以，單片機(jī)向RISE3501發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成滿足以上幀格式的幀，然后再發(fā)送。單片機(jī)接收收到RISE3501的幀后，也要按上述幀格式解析，得到實(shí)際數(shù)據(jù)。如：

　　主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的抄寫溫度的指令的幀，其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

　　void Get_slave_cmd_3501(unsigned char *arr)

　　{

　　unsigned char i;

　　unsigned char tmp=0;

　　arr[0] = 0xFE;

　　arr[1] = 0xFE;

　　arr[2] = 0xFE;

　　arr[3] = 0xFE;

　　arr[4] = 0x68;

　　for(i=0;i<6;i++)

　　arr[i+5] = SLAVE_ADDR_BUF[i]; //將從機(jī)的地址拷貝進(jìn)來

　　arr[11] = 0x68;

　　arr[12] = 0x04; //C控制碼

　　arr[13] = 0x06; //L 指令的長(zhǎng)度

　　for(i=0;i<6;i++)

　　arr[i+14] = 0xCC; // 向slave 發(fā)送的抄溫度指令

　　for(i=4;i<20;i++)

　　tmp = tmp + arr[i]; //計(jì)算校驗(yàn)位CS

　　arr[20] = tmp;

　　arr[21] = 0x16;

　　}

　　其中，SLAVE_ADDR_BUF[]內(nèi)是需要抄溫度的從機(jī)的地址，0xCC, 0xCC, 0xCC, 0xCC, 0xCC, 0xCC 是表示抄寫溫度的指令。

　　溫度檢測(cè)模塊返回的溫度數(shù)據(jù)的幀，其代碼實(shí)現(xiàn)如下：

　　void Get_TMP_3501(unsigned char *arr)

　　{

　　unsigned char i;

　　unsigned char tmp = 0;

　　arr[0] = 0xFE;

　　arr[1] = 0xFE;

　　arr[2] = 0xFE;

　　arr[3] = 0xFE;

　　arr[4] = 0x68;

　　for(i=0;i<6;i++)

　　arr[i+5] = HOST_ADDR_BUF[i]; //將主機(jī)的地址拷貝進(jìn)來

　　arr[11] = 0x68;

　　arr[12] = 0x04; //C控制碼

　　arr[13] = 0x06; //L 溫度數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度

　　for(i=0;i<6;i++)

　　arr[i+14] = TMP[i]; //將溫度數(shù)據(jù)拷貝過來

　　for(i=4;i<20;i++)

　　tmp += arr[i]; //計(jì)算校驗(yàn)位CS

　　arr[20] = tmp;

　　arr[21] = 0x16;

　　}

　　其中，HOST_ADDR_BUF[]內(nèi)是主機(jī)的地址，TMP[]內(nèi)是當(dāng)前的溫度。

　　3.2.2 單片機(jī)與RISE3501握手程序

　　RISE3501具有發(fā)送工作模式和接收工作模式。當(dāng)處于發(fā)送工作模式時(shí)，可以將單片機(jī)發(fā)給自己的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到電力線上；當(dāng)處于接收工作模式時(shí)，可以接收電力線上的屬于與自己地址相符合的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)。從而實(shí)現(xiàn)了在電力線上的數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　RISE3501復(fù)位后，將給單片機(jī)發(fā)送握手請(qǐng)求：68 AA AA AA AA AA AA 68 13 00 DF 16。

　　單片機(jī)給RISE3501回復(fù)：68 A0 A1 A2 A3 A4 A5 68 81 08 65 F3 （A0 +33） （A1+33）（A2 +33）（A3 +33）（A4 +33）（A5+33）CS 16，則將RISE3501置于接收模式，其中A0~A5是本模塊的地址。

　　單片機(jī)給RISE3501回復(fù)：68 CC CC CC CC CC CC 68 81 08 65 F3 （A0 +33） （A1+33）（A2 +33）（A3 +33）（A4 +33）（A5+33）CS 16 ，則將RISE3501置于發(fā)送模式，其中A0~A5是本模塊的地址。

　　在應(yīng)用中，即使握手成功后，RISE3501也需要隨時(shí)和單片機(jī)保持連接狀態(tài)，為此RISE3501隔90秒后將再次給單片機(jī)發(fā)送握手信號(hào)。所以，單片機(jī)的主程序需要循環(huán)檢測(cè)RISE3501發(fā)送的握手信號(hào)。

　　3.2.3 溫度數(shù)據(jù)的抄寫和傳輸程序

　　主機(jī)模塊抄寫溫度檢測(cè)模塊的溫度的程序流程圖如圖10所示。

　　圖10 主機(jī)模塊抄寫溫度檢測(cè)模塊的溫度的程序流程圖

　　溫度檢測(cè)模塊給主機(jī)模塊發(fā)送溫度數(shù)據(jù)流程圖如圖11所示。

　　圖11 溫度檢測(cè)模塊返回溫度數(shù)據(jù)給主機(jī)模塊流程圖

　　3.3 溫度檢測(cè)程序

　　通過DS18B20檢測(cè)溫度的單片機(jī)程序如下

　　void GetTemperature(void)

　　{

　　DS18B20_Reset(); //設(shè)備復(fù)位

　　DS18B20_WriteByte(0xCC); //跳過ROM命令

　　DS18B20_WriteByte(0x44); //開始轉(zhuǎn)換命令

　　while (!DQ); //等待轉(zhuǎn)換完成

　　DS18B20_Reset(); //設(shè)備復(fù)位

　　DS18B20_WriteByte(0xCC); //跳過ROM命令

　　DS18B20_WriteByte(0xBE); //讀暫存存儲(chǔ)器命令

　　TPL = DS18B20_ReadByte(); //讀溫度低字節(jié)

　　TPH = DS18B20_ReadByte(); //讀溫度高字節(jié)

　　}

　　讀取到的溫度數(shù)據(jù)的高字節(jié)保存在TPH里、低字節(jié)保存在TPL里。此時(shí)的溫度數(shù)據(jù)時(shí)十六進(jìn)制的，為了方便溫度顯示和人們的日常習(xí)慣，需要將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制。

　　3.4 LCD顯示溫度的程序

　　EDS826是6位筆段式LCD，溫度顯示為2位小數(shù)位、3位整數(shù)位、1位符號(hào)位和小數(shù)點(diǎn)。如：0090.50，表示零上90.5度。-005.50，表示零下5.5度。

　　符號(hào)位 百位 十位 個(gè)位 小數(shù)點(diǎn)后1位 小數(shù)點(diǎn)后2位

　　單片機(jī)通過向HT1621B發(fā)送命令來控制LCD的顯示。HT1621B顯示驅(qū)動(dòng)芯片具有兩種命令模式：數(shù)據(jù)模式和命令模式。數(shù)據(jù)模式命令包括READ、WRITE和READ-MODIFY-WRITE，它們的識(shí)別碼分別為110、101、101。命令模式的命令較多，其識(shí)別碼是100。

　　EDS826顯示一位數(shù)據(jù)的流程圖如圖12所示。

　　圖12 EDS826顯示一位數(shù)據(jù)的流程圖

　　完整的溫度顯示只需要將每一位的溫度數(shù)據(jù)顯示出來即可。

　　4 PCB板設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)使用Cadence公司的原理圖設(shè)計(jì)工具concept-HDL進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)，使用Allegro進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)。最終模塊的實(shí)現(xiàn)如下：

　　結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)了一種溫度采集系統(tǒng)，利用電力線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)模塊和溫度檢測(cè)模塊之間的溫度數(shù)據(jù)在電力線上傳輸。系統(tǒng)使用STC12LE5A60S2、RISE3501電力線通信芯片、DS18B20溫度傳感器、EDS826筆段式LCD進(jìn)行設(shè)計(jì)。具有本地顯示溫度以及遠(yuǎn)程抄溫度的功能?？梢詰?yīng)用在鋪設(shè)有220V交流電的地方，具有很寬的應(yīng)用范圍和較好的實(shí)用價(jià)值。