用MAXQ3210构建温度记录仪

概述：环境监测通常需要小巧灵活的微控制器。如果在这类应用中使用个人电脑，对其计算能力和存储容量而言都是一种浪费，可采用一个专用微控制器与温、湿度传感器或其它环境监测传感器通信，读取并存储监测数据。为实现更高的灵活性，这些微控制器可连成网络，各自将监测数据上传到功能更强大的系统中，对整体环境参数进行分析记录。

本篇应用笔记介绍如何使用低功耗微控制器MAXQ3210实现环境监测应用。增加一个通过一根1-Wire®总线实现供电和通信的数字温度传感器DS1822，我们可用最少的元器件构建一个电池供电的非易失温度记录系统。

可以下载相关演示代码。代码采用MAXQ汇编语言编写，在MAX-IDE开发环境自带的标准宏汇编预处理器和汇编器中编译。该代码是为MAXQ3210评估板编写，因此还需要以下器件(图1)。

• 温度传感器：DS1822经济型1-Wire数字温度传感器(TO-92封装)
• RS-232电平转换器：MAX233ACWP

图1. MAXQ3210 1-Wire温度记录仪演示电路所需的元器件

设计目标

演示代码要完成以下任务(图2)：

• 通过1-Wire网络(位模拟方式)与温度传感器DS1822通信。
• 每分钟唤醒一次测量温度。
• 将温度数据存储在MAXQ3210内部的非易失EEPROM中。
• 上电后以9600波特的速率通过位模拟串口发送温度记录数据。
• 在发送前将温度数据转换成容易识别的ASCII格式(十进制华氏度)。
• 根据主机要求清空存储器(擦除在EEPROM中存储的温度数据)。

图2. 温度记录应用的程序流程图

为何使用MAXQ3210?

几乎所有的低功耗MAXQ微控制器都可以实现这一应用，但MAXQ3210更适合用于温度记录。

• 集成稳压器。MAXQ3210内部集成5V稳压器，可以直接由标准9V电池供电。MAXQ3210的5V稳压输出还可为其它设备供电(最大电流50mA)。这一特性非常重要，这意味着如果其它器件也可采用5V供电，则不再需要另加单独的电源芯片。
• 低功耗。MAXQ3210仅需消耗很小的电流，即使以3.58MHz全速运行，典型值也仅为6mA。当降低频率或处理器停止工作进入休眠状态时，电池电流还可更低。MAXQ3210内部集成的8kHz环形振荡器驱动一个长周期的唤醒时钟，可在长达2分钟的可编程间隔后将处理器从休眠状态唤醒。
• 内部数据EEPROM。在掉电时需要保存温度记录数据，这些数据可能要采集几小时，几天，甚至是几周时间。MAXQ3210数据存储空间有64个字的EEPROM，可非常容易的实现这一要求。EEPROM中的每个16位字都可调用Utility ROM中的一个函数单独修改；EEPROM技术意味着在写数据之前从来都不需要擦除操作。如果需要更多EEPROM空间，可将数据写入任何未用的程序EEPROM空间，该写入过程调用Utility ROM中的另一个函数以类似方式逐字修改，无需重载整个应用程序。
• 5V端口引脚。与所有MAXQ微控制器一样，MAXQ3210的端口引脚可灵活的设为输入、输出、弱上拉和三态。MAXQ3210还可提供多种接口选择。由于微控制器的端口为5V电平，可以直连5V器件或通过上拉电阻连接低功耗器件(工作在三态/开漏模式)。由于这一应用所需端口很少，使用大的微控制器会浪费许多功能。
• 压电扬声器驱动器。尽管压电扬声器功能在这一应用中没有使用，但在许多类型的环境监测应用中都需要产生可听见的告警声。例如烟雾监测和一氧化碳监测。MAXQ3210可直接驱动压电扬声器，可用非常简单的软件实现这一功能。仅需1位控制位来打开或关闭压电扬声器。根据所选的扬声器不同，MAXQ3210输出的幅度可以达到100dB。
• 小封装：MAXQ3210提供小型的24引脚TSSOP封装。

驱动1-Wire网络

Dallas Semiconductor/Maxim提供一系列使用1-Wire网络接口的传感器和其它器件。该接口的数据通信和供电仅需通过一根数据线再加一根地线，这意味着微控制器仅需一个端口即可与1-Wire传感器通信。

1-Wire网络工作于一主多从模式(多点网络)。时序非常灵活，允许从机以高达16kbps的速率与主机通信。每个1-Wire器件都有一个全球唯一的64位ROM ID，允许1-Wire主机精确选择位于网络任何位置的一个从机进行通信。

1-Wire总线采用漏极开路模式工作，主机(或需要输出数据的从机)将数据线拉低到地表示数据0，将数据线释放为高表示数据1。这通常通过在数据线和V_CC之间连一个分立电阻实现，但MAXQ3210的端口引脚支持弱上拉模式，只需将引脚切换到弱上拉模式，数据线即可浮高。因此MAXQ3210不需外接电阻。由于主机和从机仅需将数据线拉低，而从不将数据线主动拉高，因此数据线可以实现“线-或”功能，这可防止多个从机试图同时通过1-Wire总线发送数据时出现冲突。

为驱动1-Wire网络，MAXQ3210利用软件在一个引脚上实现以下类型的时隙。由于1-Wire所有时隙由主机启动，因此当MAXQ3210不与从机通信时不需要监测1-Wire线路。有关1-Wire时序的更多详细信息请参考DS1822的数据资料。

• Reset时隙宽度大约为1ms。在时隙的前半部分，主机(MAXQ3210)将1-Wire总线拉低，然后主机将总线释放，使其浮高。总线上的所有1-Wire从机复位，并在该时隙的后半段将总线拉低。这一步产生一个presence pulse (在线脉冲)，向主机表明有一个或多个1-Wire从机在线，并且准备好开始通信。
• Write时隙大约长120µs，主机利用这一时隙向1-Wire从机发送0或1。两种写时隙都是以主机将总线拉低至少1微秒开始。如果发送1，主机随即释放1-Wire总线(使其浮高)。如果发送0，主机在该时隙剩余的时间内一直将总线拉低。
• Read时隙大约长60µs，主机利用这一时隙读取从机发送的0或1。该时隙是以主机将总线拉低至少1微秒开始的。随后主机将总线释放，允许从机将总线拉低(表示0)，或将总线释放使其浮空为高(表示1)。主机在时隙中部采样总线读取从机发送来的数据。

由于MAXQ3210每微秒约等于三个半指令周期(3.58MHz时钟频率下)，软件可利用一个端口引脚(P1.6)方便的实现1-Wire协议。

#define OWIN       M0[09h].6   ; PI1.6
#define OWOUT      M0[01h].6   ; PO1.6
#define OWDIR      M0[11h].6   ; PD1.6;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;
;;  Function    : Reset1Wire
;;  Description : Sends a standard speed 1-Wire reset pulse on P1.6
;;                and checks for a presence pulse reply.
;;  Inputs      : None
;;  Outputs     : C - Cleared on success; set on error (no presence
;;                    pulse detected)
;;  Destroys    : PSF, LC[0]
;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Reset1Wire:move  OWDIR, #1           ; Output modemove  OWOUT, #0           ; Drive lowmove  LC[0], #RESET_LOWdjnz  LC[0], $move  OWOUT, #1           ; Snap highmove  LC[0], #SNAPdjnz  LC[0], $move  OWDIR, #0           ; Change to weak pullup inputmove  LC[0], #RESET_PRESAMPLEdjnz  LC[0], $move  C, OWIN             ; Check for presence detectmove  LC[0], #RESET_POSTSAMPLEdjnz  LC[0], $ret;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;
;;  Function    : Write1Wire
;;  Description : Writes a standard speed 1-Wire output byte on P1.6.
;;  Inputs      : GRL - Byte to write to 1-Wire.
;;  Outputs     : None.
;;  Destroys    : PSF, AP, APC, A[0], LC[0], LC[1]
;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Write1Wire:move  APC, #080h          ; Standard mode, select A[0] as Accmove  Acc, GRLmove  OWDIR, #1           ; Output drive modemove  LC[1], #8           ; 8 bits to writeWrite1Wire_slot:move  OWOUT, #0           ; Drive low for start of write slotmove  LC[0], #WRITE_PREBITdjnz  LC[0], $rrc                       ; Get the next bitjump  C, Write1Wire_one
Write1Wire_zero:move  OWOUT, #0           ; Keep the line low (zero bit)jump  Write1Wire_next
Write1Wire_one:move  OWOUT, #1
Write1Wire_next:move  LC[0], #WRITE_POSTBITdjnz  LC[0], $            ; Finish the time slotmove  OWOUT, #1           ; Drive back high (end of slot)move  LC[0], #WRITE_RECOVERYdjnz  LC[0], $            ; Recovery time perioddjnz  LC[1], Write1Wire_slotret

实现读时隙的功能与之类似。注意，在1-Wire总线上所有数据均为低有效位(LSB)先发。

利用MAXQ3210实现1-Wire时序时，另一点需要注意的是：尽管1-Wire总线上拉电阻的阻值与总线上的设备数有关，但通常在4kΩ到5kΩ之间。可是MAXQ3210端口引脚上的弱上拉电阻为50kΩ到100kΩ。为了防止1-Wire总线从低电平到高电平转换的时间过长，演示代码先将P1.6输出设为短暂的高电平，将总线强制拉高，然后变为正常的弱上拉模式。只要该过程不是在从机试图将总线拉低的时候进行，就不会出现问题。另外，还可以在总线上再加一个分立的上拉电阻，这样就可以正常的方式使端口输出低代表0，输出三态代表1。 

注意：当构建的1-Wire网络传输距离较远或连接的从机数量较多时，还需要注意其他事项。

用DS1822测量温度

尽管MAXQ3210可以使用上面的代码与大多数1-Wire从机器件通信，在本应用中我们将主要考虑与DS1822通信。DS1822是一个1-Wire从机器件，可实现9到12位的摄氏温度测量，测量结果可被1-Wire主机读取。与多数1-Wire从机一样，DS1822可以完全由1-Wire总线供电，我们称之为寄生供电。

DS1822的测量范围可达-55°C至+125°C，适用于多数的室内外温度测量应用。温度分辨率在9位下为0.5°C，12位下0.0625°C。进行一次温度转换所需时间在低分辨率下约为94ms，在最高分辨率下约为750ms。由于这是一个简单应用，我们选择9位分辨率，并忽略最低位(0.5°C)。这样就可使整个8位带符号温度数据与MAXQ3210的8位累加器匹配。

所有的1-Wire从机器件都支持一个通用指令集，从而使得主机可以判断总线上的从机数目，读取ROM ID，并且可以与某一个从机或一组从机进行通信。一旦某个1-Wire从机被激活，主机可以针对该从机类型向其发送特殊指令。其它所有未被激活的从机均处于等待状态，直到下一个复位脉冲出现，才开始再次监测1-Wire总线。

由于在我们的应用中总线上仅有一个1-Wire器件，我们可以使用最简单的指令集访问从机器件，不需要读取从机的ROM ID。当总线上有多个从机器件时，ROM ID被用来区分不同的从机器件。我们的程序中也读取了一次DS1822的ROM ID，但仅是为了演示。

我们将使用下面的1-Wire指令集，DS1822支持的其它指令请参考其数据资料。

• Read ROM [33h]。这一指令假设1-Wire总线上只有一个从机器件。1-Wire 从机收到该指令后将其8字节的ROM ID发回1-Wire主机。这个ID包括48位序列号，8位CRC，8位家族码。家族码代表器件类型。DS1822的家族码为22h。收到Read ROM指令后，1-Wire从机被激活，并响应后续与该从机器件相关的指令。
• Skip ROM [CCh]。1-Wire总线上有一个或多个从机器件时都可以使用这一指令。这条指令激活总线上的所有从机，与从机的ROM ID无关。当总线上只有一个从机时，可利用这条指令不读取从机ID而激活从机，使其接收后续相关指令。当总线上有多个从机时，如果使用这条指令，则必须保证后面的指令不会造成从机向主机发送数据。因为从机可能发送不同的数据而造成数据冲突。
• Write Scratchpad [4Eh]。这是DS1822专用的指令，之前先用Read ROM 或Skip ROM指令激活器件。在该指令后1-Wire主机发送3字节的配置数据用来配置DS1822，包括温度转换的位分辨率。更多详情请参考DS1822的数据资料。
• Read Scratchpad [BEh]。这也是DS1822专用的指令，该指令允许主机从DS1822读取最多9字节数据。这些数据包括通过Write Scratchpad指令设置的配置寄存器值，以及最近的温度转换结果。更多详情请参考DS1822的数据资料。我们的应用仅需要最开始的两个字节，这两个字节就是最近的温度转换结果。
• Convert Temperature [44h]。这是DS1822专用的指令。DS1822收到该指令后开始测量温度，并将其按指定位分辨率转换成数字量。结果存储到两个内部寄存器中，1-Wire主机可以通过Read Scratchpad读取。

当执行Convert Temperature指令时，DS1822需要消耗更多的电流(最多1.5mA)，可能超过1-Wire总线弱上拉所能提供的电流。因此，一旦主机发出这一指令，必须对1-Wire总线进行强上拉，直至温度转换结束。在此期间，1-Wire总线上不能有任何通信发生。MAXQ3210简单地通过将P1.6端口从弱上拉切换成输出高电平来满足此要求。MAXQ3210端口驱动器能够输出足够DS1822工作所需的电流。

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;
;;  Function    : ConvertAndReadTemp
;;  Description : Sends commands to measure temperature and read
;;                scratchpad from the DS1822.
;;  Inputs      : None.
;;  Outputs     : GRL - 8-bit signed temperature value, in degrees C.
;;  Destroys    : PSF, AP, APC, A[0], A[1], A[2], LC[0], LC[1]
;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;ConvertAndReadTemp:call  Reset1Wire          ; Reset the DS1822move  GRL, #OW_SKIP_ROM   ; Select the DS1822call  Write1Wiremove  GRL, #OW_CONVERT    ; Send temp convert commandcall  Write1Wiremove  OWDIR, #1           ; Turn on strong pullup for draw currentmove  OWOUT, #1move  LC[0], #55          ; About a second
delay:move  LC[1], #0djnz  LC[1], $djnz  LC[0], delaycall  Reset1Wire          ; Conversion completed; reset againmove  GRL, #OW_SKIP_ROM   ; Select againcall  Write1Wiremove  GRL, #OW_RD_SCRATCH ; Read the scratchpad valuescall  Write1Wirecall  Read1Wiremove  A[1], GRL           ; Temp LSB  3210xxxxcall  Read1Wiremove  A[2], GRL           ; Temp MSB  sssss654move  Acc, A[1]           ; 3210xxxxand   #0F0h               ; 3210----xchn                      ; ----3210move  A[1], Accmove  Acc, A[2]           ; sssss654and   #00Fh               ; ----s654xchn                      ; s654----or    A[1]                ; s6543210move  GRL, Accret

将测量结果存储在数据EEPROM中

为防止1-Wire总线偶然出现数据错误，演示代码每次测量都执行三次温度转换(A，B和C)，并从中选择一个结果存储，选择的依据为：

• 如果所有数据相同，则存储该数据。
• 如果三个中有两个数据相同(A = B，B = C或A = C)，则选择相同的数据存储。
• 如果没有数据相同，则取中间值存储。例如，如果(A B C)，则存储B。

被选中的值被写入数据EEPROM的一个字中。由于采样结果为一个字节，每个字的高字节被用来指示该记录(也就是字)是否为空。如果高字节为0，该记录/字为空，如果高字节非0，则低字节为有效温度数据。这样就能区分空记录和存储数据为0°C的有效数据。

;;  Two out of three majority vote, or failing that, the measurement
;;  in the middle of the three.move  Acc, A[4]     cmp   A[5]jump  E, recordTempA      ; If (A==B), use that valuecmp   A[6]jump  E, recordTempA      ; If (A==C), use that valuemove  Acc, A[5]cmp   A[6]             jump  E, recordTempB      ; If (B==C), use that valuemove  Acc, A[4]sub   A[5]jump  S, B_greaterThan_A  ; Sign is set if (A-B) is negative;;  If (A  B) {
;;     If (C  A) record A     (C  A  B)
;;     If (B  C) record B,    (A  B  C)
;;           else record C     (A  C  B)A_greaterThan_B:move  Acc, A[4]sub   A[6]                ; A-Cjump  S, recordTempA      ; Sign is set if (A-C) is negativemove  Acc, A[5]sub   A[6]                ; B-Cjump  S, recordTempC      ; Sign is set if (B-C) is negativejump  recordTempB;;  If (B  A) {
;;     If (C  B) record B     (C  B  A)
;;     If (A  C) record B,    (A  B  C)
;;           else record C     (B  C  A)B_greaterThan_A:move  Acc, A[5]sub   A[6]                ; B-Cjump  S, recordTempB      ; Sign is set if (B-C) is negativemove  Acc, A[4]sub   A[6]                ; A-Cjump  S, recordTempC      ; Sign is set if (A-C) is negativejump  recordTempBrecordTempA:move  GRL, A[4]jump  recordTemprecordTempB:move  GRL, A[5]jump  recordTemprecordTempC:move  GRL, A[6]jump  recordTemprecordTemp:move  A[15], GRLmove  GRL, #'@'call  TxCharBBmove  GR, DP[0]move  GRL, GRHcall  TxHexByteBBmove  GRL, DP[0]call  TxHexByteBBmove  GRL, #' 'call  TxCharBBmove  GRL, #'W'call  TxCharBBmove  GRL, A[15]call  TxHexByteBBmove  GRL, A[15]          ; Low byte contains temp datamove  GRH, #055h          ; High byte marks nonzero entrylcall  UROM_loadData      ; Write entry to data EEPROMcall  IncDP0_EE           ; Move to the next entry positionmove  GR, #0000h          ; Erase any data that existslcall  UROM_loadData      ; Erase the oldest entry