發布日期：2022-10-09 點擊率：23
軟件IIC和硬件IIC
實驗中 STM32 的 I2C 外設采用主模式，分別用作主發送器和主接收器，通過查詢事件的方式來確保正常通訊。
I2C 通訊協議(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司開發的，由于它引腳少，硬件實現簡單，可擴展性強，不需要 USART、CAN 等通訊協議的外部收發設備。
I2C 的協議定義了通訊的起始和停止信號、數據有效性、響應、仲裁、時鐘同步和地址廣播等環節。
硬件IIC是MCU內置的IIC硬件模塊，接收發送都由硬件完成，占用MCU資源少，有中斷處理。
軟件IIC是用MCU模擬IIC的時序，占用MCU資源。
硬件I2C對應芯片上的I2C外設，有相應I2C驅動電路，其所使用的I2C管腳也是專用的；軟件I2C一般是用GPIO管腳，用軟件控制管腳狀態以模擬I2C通信波形。
1、IIC物理層
(1) 它是一個支持設備的總線。“總線”指多個設備共用的信號線。在一個 I2C 通訊總線
中，可連接多個 I2C 通訊設備，支持多個通訊主機及多個通訊從機。
(2) 一個 I2C 總線只使用兩條總線線路，一條雙向串行數據線(SDA) ，一條串行時鐘線
(SCL)。數據線即用來表示數據，時鐘線用于數據收發同步。
(3) 每個連接到總線的設備都有一個獨立的地址，主機可以利用這個地址進行不同設備之
間的訪問。
(4) 總線通過上拉電阻接到電源。當 I2C 設備空閑時，會輸出高阻態，而當所有設備都空
閑，都輸出高阻態時，由上拉電阻把總線拉成高電平。
(5) 多個主機同時使用總線時，為了防止數據沖突，會利用仲裁方式決定由哪個設備占用
總線。
(6) 具有三種傳輸模式：標準模式傳輸速率為 100kbit/s ，快速模式為 400kbit/s ，高速模式
下可達 3.4Mbit/s，但目前大多 I2C 設備尚不支持高速模式。
(7) 連接到相同總線的 IC 數量受到總線的最大電容 400pF 限制 。
2、通訊的起始與停止
。當 SCL 線是高電
平時 SDA 線從高電平向低電平切換，這個情況表示通訊的起始。當 SCL 是高電平時 SDA
線由低電平向高電平切換，表示通訊的停止。起始和停止信號一般由主機產生。
3、架構圖
4、引腳
5、區分軟件IIC和硬件IIC
可以看底層配置，比如IO口配置，如果配置了IO口的功能（IIC功能）那就是固件IIC，否則就是模擬
可以看IIC寫函數，看里面有木有調用現成的函數或者給某個寄存器賦值，如果有，則肯定是固件IIC功能，沒有的話肯定是數據一個bit一個bit模擬發生送的，肯定用到了循環，則為模擬。
硬件IIC用法比較復雜，模擬IIC的流程更清楚一些。硬件IIC速度比模擬快，并且可以用DMA。模擬IIC可以在任何管腳上，而硬件只能在固定管腳上。
基于I2C的溫濕度采集
實驗要求
編程實現：每隔2秒鐘采集一次溫濕度數據，并通過串口發送到上位機
準備
在官網上下載AHT20代碼。根據任務要求，改寫代碼。
儀器：一塊AHT20溫濕度傳感器、STM32F103芯片、TTL轉USB接口、面包板等。
實驗連線
STM32芯片與AHT20連接：
SWCLKB7SDIOB6
主代碼
測試結果
實驗理解：
由STM32芯片給溫濕度傳感器發送數據，使溫濕度傳感器工作，傳感器工作后將數據通過數據接口傳出給STM32芯片，最后通過電腦顯示數據。
溫度對產品可靠性有重要影響，因此在研發和制造 應用中收集溫度數據極為重要。但進行精確和可重復的 溫度測量并不像您料想的那樣簡單。 溫度測量遠比初看起來復雜。我們一般認為溫度只是一個簡單數字，但它具有統計結構，其精度和可重復 性受熱容量、測量時間、電噪聲和測量算法的影響。即 使在理想條件下精確測量溫度都相當困難，在真實測試 條件下更是困難的任務。
在您用數據采集系統收集溫度數據時，了解各種溫度測量方法的優缺點能幫助您得到更好的結果。正確選擇和使用溫度傳感器可避免各類測量問題和得到可信賴的結果。
這文全面講述數據采集系統中最常用的四種溫度傳感器，討論它們的優點和缺點。探討熱偶測量的科學原理，以幫助您克服這些流行傳感器的固有不足。
傳感器類型
數據采集系統中最常用的四類傳感器是電阻溫度探測器（RTD），熱敏電阻，IC敏感元件和熱偶。它們各 自適宜特定的測量條件，因此了解何時應使用何種傳感器非常重要。要考慮的因素包括性能、適用范圍、售價 和方便性。表 1 匯總了各類傳感器的優點和缺點[1]。 電阻溫度探測器 RTD 的工作原理是金屬的電阻率與溫度相關。最高等級傳感器 RTD 使用金屬鉑，它可提供直至 500℃的最精 確和最穩定的測量。但鉑 RTD 非常昂貴。使用鎳或鎳合金的傳感器 RTD 的穩定性和線性比鉑傳感器 RTD 差，但價格要 低得多，并且也有相當好的精度。 RTD也有一些缺點，包括對自熱誤差敏感。電阻測 量需要施加電流，而電流會生熱，從而造成失真的結 果。電阻溫度探測器的第二個缺點是電阻低。由于其電阻是如此 之低，連接電阻溫度探測器 的導線電阻也會造成大的誤差。 如果您使用如圖 1a 所示的二線技術，在數據采集 系統端上測量的電阻就包括引線電阻在內。如果使用如 圖 1b所示的四線技術，在電阻溫度探測器端測量的電阻就不包括 引線電阻。當然，四線技術需要兩倍的接線和兩倍的數 據采集通道。作為折衷方案，您可使用三線技術，它接 線比較簡單，但在精度上略有犧牲。
圖 1: 電阻溫度探測器兩線和四線測量技術
表 1: 常用溫度傳感器比較
熱敏電阻
像電阻溫度探測器 RTD一樣，熱敏電阻是對溫度敏感的電阻器。它一般用陶瓷半導體制作，比電阻溫度探測器 RTD 的電阻高得多，引線誤差不那么明顯，因此可使用比較簡單的兩線測量技術。其高輸出（較小的溫度變化產生較大的溫度變化）可得到高分辨率的測量結果，也減小了引線電阻的影響。熱敏電阻的另一項優點是非常小的熱容量，從而把被測裝置的熱負載減到最小。
但熱敏電阻的低熱容量也同時是缺點 ── 即測量中來自電流源的較高自熱效應。它的另一缺點是不結實和較大的非線性。為從熱敏電阻得到有用的結果，您必須使用線性化算法。
IC 敏感元件
而IC敏感元件是線性的。它們提供高輸出電平，相對便宜，在室溫下也有好的精度。
缺點方面，IC 敏感元件在產品配置和溫度范圍上只有不多的選擇。此外，IC敏感元件需要有電源，因此與 RTD 及熱敏電阻一樣，存在同樣的自熱誤差。
IC 敏感元件相對大的尺寸也可能是缺點。所選敏感元件的體積小于被測體積是重要的。否則敏感元件的熱容量就可能影響溫度讀數。IC 敏感元件的較大體積也意味著較長的熱穩定時間。
今天的趨勢是走向“智能敏感元件”。這是具有板上智能的 IC 敏感元件，可幫助執行傳統上需要數據采集系統的計算和通信任務。
熱偶
熱偶極為流行，因為比其它各類傳感器堅固耐用，并有更寬的溫度范圍。由于不需要電源和便宜，因此對大數據采集系統是有吸引力的選擇。但為用熱偶得到好的測量結果，必須了解它們如何工作，從而克服其固有的缺點。
熱偶測量
熱偶行為基于梯度理論。如圖 2 所示，當導線一端被加熱時。它就會產生一個電壓，該電壓是導線兩端溫度梯度和導線所用金屬的函數。
圖 2: 熱偶原理
熱偶由兩條不同金屬線構成，這兩條線在一段相接，另一端開路，如圖 2b 所示。開路端的電壓是結溫和所用金屬類型的函數。任何不同的金屬對都存在這一電壓，該電壓用發現者Thomas Seebeck的名字命名，稱為 Seebeck 電壓。對于小的溫度變化，Seebeck 電壓與溫度成正比：
這里 Seebeck系數α是比例常數。但對于較大的溫度范圍，Seebeck 系數本身也是溫度的函數，造成Seebeck 電壓的非線性，繼而使熱偶電壓也為非線性。
電阻溫度探測器 RTD、熱敏電阻和IC敏感元件測量的是絕對溫度，而熱偶測量的是相對溫度。我們用一個例子說明什么是相對溫度測量。
我們的例子使用常見的 J 型熱偶，它的一條線是鐵，另一條線是康銅，康銅是45%鎳和55%銅的合金。
當我們用兩條測試線 ── 銅線 ── 連接時，我們又建立了兩個熱偶，每一個都對電路電壓有貢獻（見圖 3）。現在我們有三個熱偶和三個未知溫度。
圖 3: 附加導線造成 2 個附加的未知結溫
為解決這一問題，可在已知溫度處增加反向熱偶和參考結，如圖4所示。對于我們的例子，我們把另一個銅—鐵結作為反向熱偶，這樣就可與加至原熱偶鐵線上銅線的銅—鐵結相匹配。還使用等溫（恒溫）塊隔離這兩個結，因此它們能有效地相互抵消。
現在只有兩個結，即來自熱偶（Tx）的原結和剛剛添加的參考結（Tref）。如果知道參考結的溫度，就能計算 Tx。許多數據采集系統都能提供對 Tx 的自動熱偶測量計算。
有幾個實用和廉價的溫度參考點。水的冰點0℃和沸點 100℃是大自然提供的僅有參考點。如果您把結Tref 置于冰浴中，就能把 Tref 溫度強制到 0℃。事實上所有熱偶表都以冰浴為參照。
幸而有可能通過去掉冰浴而簡化系統。為代替用冰浴把Tref 溫度強制至 0℃，我們能用絕對溫度器件，如RTD 測量 Tref，然后通過數學計算進行補償。
簡化系統的另一種方法是去掉第二個熱偶，如圖 5所示。如果我們把等溫塊擴展到包括 Tref，并把等溫塊溫度設定為 Tref ，這樣等溫塊上的其它兩個熱偶就將彼此抵消。為確定 Tref，可使用絕對溫度裝置測量等溫塊的溫度。
在確定 Tref 后，就能計算其等效電壓，并從測量電壓中扣除，以摹擬 0℃ 的 Tref。現在就能用以冰浴為參照的熱偶表或公式計算 Tx 。如前所述，提供熱偶測量的數據采集系統一般都能進行這些計算。
如您在表 2 所見，Seebeck 系數和產生的輸出電壓都很小。因此難以精確測量其絕對電平和相對變化，與其它類型的傳感器相比，電氣噪聲對溫度測量的精度有更重要的影響。
表 2: 常用熱偶的 Seebeck 系數和輸出電壓
圖 4: 去掉附加未知結溫的熱偶連接
圖 5: 使用等溫塊內 Tref 的簡化測試裝置
改進傳感器精度
對于所有這四種溫度傳感器，降低噪聲都能改進您的測量精度。使用熱偶時，降低噪聲更為關鍵，因為電氣噪聲對熱偶測量有非常大的影響。
在您能有效處理噪聲問題前，必須了解噪聲的來源。通常它來自下述三個源之一：
1. 共模噪聲由接地環造成。熱偶對接地環非常敏感，因為其金屬結很可能搭接在機器上，或元件電位高于數據記錄儀。電流會流經高和低線、數據記錄儀，再通過大地返回源。
2. 常模噪聲由磁場造成，它在測量環內產生電流。當熱偶線靠近大電流線或機器時，就可能產生常模噪聲。
3. 靜電噪聲由旋轉機械造成。
在確定了噪聲源后，就可制定相應的解決方案。有針對各類噪聲的解決方案：
1. 共模噪聲 — 選擇高對地阻抗，通常規定共模抑制指標的數據采集系統。您也可在熱偶和噪聲源間插入電氣隔離。
2. 常模噪聲 — 縮短連線，使用雙絞線，讓測量線遠離大電流源。
3. 靜電噪聲 — 使用屏蔽測量線。結論
如果您為應用選擇了正確的傳感器，就不難用數據采集系統實現精確和可靠的溫度測量。在選擇傳感器時，要考慮傳感器價格，溫度范圍，精度，耐用性，傳感器輸出，熱穩定時間和錯誤模式，如自熱效應。也需仔細選擇儀器系統。如果數據采集系統不能精確和可重復地測量傳感器輸出，正確的傳感器也是無價值的。
術語
B- 型熱偶 — 由鉑和銠制成的熱偶，溫度范圍為 0 - 1820 0℃
冷結 —用于進行熱偶測量的參考結。冷結置于一個已知溫度，通常為 0℃，或使用絕對溫度傳感器進行測量。熱偶測量的是參考結與未知結，或熱結間的相對溫度。
康銅 — 45% 鎳與55% 銅的合金。其電阻隨溫度有小的改變。在T 型熱偶中與銅一起使用。
E- 型熱偶 —由鉻和康銅制成的熱偶，溫度范圍為 -270 - 1000 0℃
J- 型熱偶 — 由鐵和康銅制成的熱偶，溫度范圍為 -210 - 1200 0℃
K- 型熱偶 —由鉻和鎳鋁合金制成的熱偶，溫度范圍為 -270 - 1372 0℃
線性 — 輸出 (Y) 正比于輸入 (X): Y=aX 線性 A/D 產生正比于模擬輸入的數字結果
N 型熱偶 —由 Nicrosil 和 Nisil 合金制成的熱偶， 溫度范圍為 -270 - 1300 0℃
電阻溫度探測器 (RTD) — 一種基于金屬電阻隨溫度改變的金屬器件
分辨率 — 儀器能檢測到最小變化的度量
可重復性 — 儀器在同樣條件下保持同樣讀數的能力
靈敏度 — 儀器能檢測到輸入信號最小變化的度量
敏感元件 —能檢測物理量（如溫度）并產生響應電信號的器件
穩定時間 — 電路達到穩定狀態的時間
穩定度 —在施加恒定輸入時儀器或傳感器保持恒定輸出的能力
熱偶 —由兩種不同金屬連在一起所構成的溫度傳感器。當存在溫度梯度（兩端溫度不同）時產生電壓。不同類型的熱偶由不同金屬構成，并有不同的溫度范圍和精度。
熱敏電阻 — 一種電阻隨溫度變化的陶瓷溫度傳感器。大多數熱敏電阻的阻值隨溫度升高而降低。
傳感器 — 把物理量轉換為電信號的器件；例如熱偶、光電池和應變片。
T- 型熱偶 —由銅和康銅制成的熱偶，溫度范圍為 -270 - 400 ℃
溫度傳感器和探頭 | Keysight （安捷倫）
溫度探頭、表面傳感器、熱敏電阻和熱電偶套件
U1180A 溫度傳感器和探頭 | Keysight （安捷倫）
U系列手持式數字萬用表的熱電偶適配器和引線套件
溫度傳感器定義：
溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。溫度傳感器對于環境溫度的測量非常準確，廣泛應用于農業、工業、車間、庫房等領域。
溫度傳感器發展歷史：
公元1600年，伽利略研制出氣體溫度計。一百年后，研制成究竟溫度計和水銀溫度計。隨著現代工業技術發展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動勢元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以后，相繼研發制成半導體熱敏電阻器。最近，隨著原材料、加工技術的飛速發展、又陸續研制出各種類型的溫度傳感器。
采集溫度傳感器怎么實現：
想把溫度傳感器用網口統一管理，具體怎么實現？單個的溫度傳感器比較分散，建議集成統一接到PLC控制器，然后在PLC上加裝我們的智能網關，通過智能網關采集PLC數據可以實現對設備的遠程監控和控制。
HINET工業智能網關產品優勢：
1、 多樣的通訊接口：多種通訊接口結合，可兼容RS232RS485RS422以太網等各種接口PLC；
2、 超強的環境適應能力：多通訊方式結合，結合WIFI、以太網、4G等多種通訊方式，適應各種工業環境；
3、 極高的安全性：采用VPN over P2P遠程安全通訊方式，結合RSA加密算法確保通訊安全，嚴防數據泄漏；
4、 極強的穩定性：支持斷線重連，異常恢復、系統自監控，確保設備實時在線，確保監控系統正常運行；
5、 極簡易的安裝方式：體積小巧，導軌安裝。
湖南華辰智通科技有限公司自主HINET工業智能網關產品為工業企業提供從設備聯網、PLC遠程監控、PLC遠程控制、PLC遠程調試、PLC遠程編程、PLC數據采集整體解決方案。思普云工業互聯網大數據云平臺專注于工業設備遠程運維與管理，已在全國數萬家企業應用。
1 概述
傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
傳感器按用途可以分為力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器等。
隨著集成度的不斷提高，多種傳感器集成到一個模塊，已經非常普遍。模塊的生產廠商，對外提供一組通信協議，供模塊使用者和模塊進行通信，從而方便的獲取傳感器的測量數值。
本文通過一個實際的例子，介紹如何通過上位機軟件，對一個多軸傳感器模塊的溫度數據進行采集并用曲線圖表顯示溫度數據。本例子的硬件架構如下圖所示。
傳感器模塊數據輸出： 溫度、加速度、角速度、磁場等
傳感器模塊數據接口： 串口，波特率9600（默認）
傳感器模塊串口上位機連接：使用USB-TLL串口模塊連接，VCC接VCC，TX接RX，RX接TX，GND接GND。
本例子上位機使用格西測控大師編寫，最終效果如下圖所示。
2 通信協議
數據采集系統和設備通信有兩種方式，一種是DirectIO方式，也就是直接通過設備通信協議進行訪問，這種方式需要了解設備的通信協議；另外一種是間接調用動態庫的方式，這種方式只需要了解動態庫的接口函數即可。
本文的實驗例子是通過DirectIO方式進行通信。下面我們來介紹一下所用到的采集通信命令，通信命令幀結構如下圖所示。傳感器模塊持續的向串口發送通信命令幀。
3 創建項目、設備接口和變量
3.1 第1步 新建項目
啟動格西測控大師，在左上角菜單中選擇“新建項目”，然后在彈出的“新建項目”對話框中，填寫項目名稱“溫度采集與顯示項目”，然后點擊“瀏覽…”按鈕，選擇保存路徑和填寫項目文件名“溫度采集與顯示項目”，最后點擊“確定”按鈕。
3.2 第2步 添加串口設備
在項目管理器中選擇“設備與接口”節點，然后點擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇“新建設備…”。
彈出新建設備對話框中，選擇“串口”，點擊“確定”。
彈出設備屬性對話框，填寫“設備名”和其他設備參數，最后點擊“確定”按鈕。其中，“設備名”是設備的標識，可以是任意字符串，引用設備必須使用設備名。
3.3 第3步 添加變量
本例子用到變量容器、表達式變量和TXT文件變量。
TXT文件類型變量：當其所有子變量都改變過后，形成一條記錄，保存到文件中。本例子中的溫度數據，每次采集完畢，通過腳本把采集時間和溫度值分別賦給“時間”和“溫度值”變量，即可生成一條記錄。
表達式變量：保存采集時間和溫度值，采集時間使用系統當前時間，溫度值通過采集到的數據經過表達式運算得到。
其中，Frequency表示變量數據每秒鐘的觸發次數， 每次觸發，根據表達式計算產生變量的值；如果 Frequency<=0，則不能定時觸發表達式計算，只有對 Value 屬性賦值，才可以觸發表達式計算進而產生新的變量值。
4 編寫采集序列
本例子用到的步驟類型： While和Message。
其中Message步驟是報文步驟，可以通過自定義報文結構來編寫通信協議，可以自定義任意結構的通信協議，非常方便和設備進行通信。
運行測試的時候，我們可以打開序列數據面板查看通信的過程數據。
5 設計用戶界面
本例子用到的控件：LineChart（曲線圖）、TableGrid（數據表）。
控件關鍵配置：
LineChart：
ChartSeries屬性（格式為“
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