远距离温度信息传输稳定性研究

Research on the Stability of Remote Temperature Information Transmission

王叶南　陈江华

(西北民族大学电气工程学院，甘肃 兰州　730030)

远距离温度信息传输稳定性研究

Research on the Stability of Remote Temperature Information Transmission

王叶南陈江华

(西北民族大学电气工程学院，甘肃 兰州730030)

摘要：数字式温度传感器DS18B20在工农业已得到广泛的应用。针对DS18B20进行远距离温度采集时会出现温度信息不稳定的现象，对DS18B20通信协议以及温度信息传输的原理进行了研究，发现导线的分布电容和电磁干扰是影响温度信号远距离传输不稳定的主要因素。提出了改变导线的上拉阻值和采用屏蔽技术的解决方案。实测结果表明,该解决方案可显著提高远距离温度采集传输的稳定性，进而保证温度采集系统的可靠性。

关键词：DS18B20上拉电阻通信协议温度采集稳定性

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

随着信息自动化技术的快速发展，远距离温度采集和控制系统在各行各业得到了广泛的应用，尤其是在工业生产和农产品储藏领域的应用更为普遍[1]。如果生产储藏环境的温度得不到稳定有效的监控，往往会直接导致事故的发生，造成经济损失。在数字测温和控制领域内，数字温度传感器DS18B20应用极其广泛，但在使用DS18B20进行远距离温度采集传输过程中，常常会出现数据采集不稳定、误差较大等问题。针对这些问题，本文通过研究温度传感器的工作原理，结合实践，提出了相应的解决方案，显著提高了温度采集工作的稳定性和可靠性。

1温度信息采集传输原理

DS18B20在采集传输温度信号时，采用严格的单总线通信协议，保证数据的完整性[2]。该协议规定了多个信号脉冲形式：复位脉冲、写脉冲和读脉冲，如图1所示。DS18B20的所有通信都由初始化序列脉冲开始，初始化序列由主控制器发出的复位脉冲和DS18B20发出的存在脉冲组成，如图1(a)所示。主机在写时隙向DS18B20写入数据，并在读时隙从DS18B20读入数据，且在单总线上每个时隙只传送一位数据[2]，如图1(b)、图1(c)所示。在通信过程中，每个脉冲形式都必须遵循严格的时序，这样才能准确稳定地实现温度信号的采集与传输。

图1　单总线信号脉冲

2影响温度信息采集传输稳定性因素分析

当系统采用DS18B20进行温度信息采集时，若导线传输温度信息时不能严格遵循单总线协议，则DS18B20无法准确识别温度信息。这必定造成采集的温度信息准确性差、数据不稳定等问题[3]。研究发现，导线的分布电容和电磁干扰的存在是导致温度信息采集传输不稳定的主要因素。

2.1　导线的分布电容对脉冲信号的干扰

DS18B20与主控制器通过三根导线相连接，当三根导线紧密地排列在一起时，这些导线之间不可避免地会产生电容效应，如图2所示。电缆的分布电容主要由双绞线的两条平行导线产生，数字信号通过传输线时，分布电容会出现充放电过程，引起矩形脉冲的上升沿和下降沿时间延长，造成波形畸变。电容越大或者脉冲信号的频率越高，畸变越严重。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时，要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题[4]。

图2　导线分布电容等效电路

当电缆的长度较短时，导线间的分布电容较小，导线间的容抗较大，对温度采集不会造成影响。但如果电缆的长度增加到一定程度时，针对微秒级数据脉冲信号，其电容值可达零点几个微伏级。在温度采集回路中，分布电容会导致数据脉冲信号跳变时间增大，如图3所示。当电缆长度达到30 m时，跳变的上升沿时间大于7 μs，不符合DS18B20对读写时序的要求，因此无法获得稳定准确的温度值。

图3　分布电容造成跳变时间增加

2.2　电磁对导线传输信号的干扰

电缆的电磁辐射问题是电子系统工程中最常见的问题之一。由于电缆本身就是一根高效的接收和辐射天线[5]，因此当电缆中的导线平行传输的距离增长时，导线之间就会存在较大的互电感，这会导致导线之间发生信号的串扰。电磁对导线传输信号的干扰有两种：一种是两根导线分别作为往返线路传输，称为“差模”；另一种是两根导线作去路，地线作返回路传输，这种称为“共模”[6]。电缆上的差模干扰电流和共模干扰电流可以通过电缆直接进入电子设备的电路模块，从而干扰电路的稳定性。在DS18B20传感器电路中，主要是“共模”因素干扰温度采集回路中的信号。

3温度信息传输不稳定解决方案

3.1　调整上拉电阻阻值

不同传输线的容抗相差很大，估算信号畸变的允许程度和容抗的允许值，合理布线，可减少容抗。电缆中的容抗干扰造成脉冲信号延误变形，使得主控制器和DS18B20间的通信不能严格遵循单总线协议。DS18B20上拉电阻R的阻值是一个极其重要的参数，它的作用是加快上升沿、增加数据线的电流，其阻值的大小直接影响着读写时序中上升沿的快慢[7]。

当采用较长的导线来连接DS18B20时，导线上的电阻变大，上拉电阻相应减小。因此，增大上拉能力，使信号符合DS18B20的读写时序[8]，试验数据如表1所示。由表1可知，当导线长度从10 m逐渐增加到100 m时，上拉电阻由参考值4.7 kΩ逐渐减小，必须增大上拉能力，才能使脉冲信号正常，温度值稳定。因此，在系统硬件设计时，根据距离长度不同，可以通过使用相应的上拉电阻来获得稳定的温度信号。

表1　试验测试结果

3.2　消除电磁干扰

消除电磁干扰的方法有多种，在实际应用中应根据需求不同灵活采用。最为有效的方法是利用屏蔽技术减少电磁干扰[9]。为有效地抑制电磁的辐射及高次谐波引发的噪声电流，在长距离采集温度信号时，导线需要采用双屏蔽或单屏蔽的双绞线，且屏蔽层应尽可能靠地[7]。除了利用屏蔽技术，还利用布线技术改善电磁对信号的干扰。DS18B20信号线应独立于其他电

缆走线，同时应避免信号线与其他电缆长距离平行走线，以减少脉冲信号快速变化而产生的电磁干扰。控制导线和电源线交叉时，应尽可能使它们按 90°角交叉[10]。这些措施能最大程度地减少由导线产生的干扰信号，从而获得稳定的温度数据。

4结束语

本文研究了影响DS18B20通信协议的两个主要因素:导线的分布电容和电磁干扰。结合试验数据，采用调整上拉电阻和使用屏蔽线的措施，使DS18B20温度采集范围大大提高，保证温度采集系统的稳定性。该方案已应用于西北地区马铃薯贮藏窖的温控系统中，改善了远距离传输温度信息的不稳定性，达到了良好的测量与传输温度信息的效果。

参考文献

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中图分类号：TP216

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507023

修改稿收到日期：2014-10-22。

第一作者王叶南(1984-)，女，2010年毕业于电子科技大学通信与系统专业，获硕士学位，讲师；主要从事于通信电子线路和单片机原理的教学与科研工作。