应用笔记 5335

确定温度记录iButton®的任务参数


摘要 : 对于许多首次使用温度记录器的用户,针对具体任务设置记录器是一项具有挑战性的工作。本应用笔记介绍温度记录iButton中的常见术语。此外,提供一种算法,帮助用户选择必要的输入参数,包括合适的采样率。

引言

记录器iButton器件受到研究人员的广泛欢迎。尽管免费提供的评估软件使用非常简单,而且文件齐全,但在选择和输入时仍然困难。本应用笔记介绍温度记录iButton中的常见术语,以及这些术语之间的关联。此外,提供一种算法,帮助用户选择必要的输入参数,包括根据用户需求及可用于储存数据的存储器选择采样率。

术语

任务

该术语表示从将记录器设置为收集数据到收集完全部相关数据并停止进一步收集数据之间的时间间隔。

任务参数

该术语表示与记录器按照用户意图实施任务相关的全部数据元素。

数据记录存储器

指用于储存任务期间所收集数据的存储器。DS1921系列记录器具有2048字节的存储器,可储存多达2048个温度值。DS1922系列记录器和DS1923具有8192字节的数据记录存储器。数据记录存储器与512字节通用用户存储器无关,也与DS1921系列的直方图和报警存储器无关。数据记录存储器不可擦除,新任务开始时,只是用新数据进行覆盖。iButton中的“任务采样计数器”表示有效项的数量。

分辨率(仅限DS1922/3,任务参数)

DS1922/3系列记录器允许选择低分辨率(温度值为0.5°C,与DS1921G相同)和高峰分辨率(0.0625°C)。DS1923也支持“不同分辨率”,一个通道工作在高分辨率,另一个通道工作在低分辨率。表1中为每个器件在规定分辨率下可储存的采样点数量。高分辨率模式具有完全的温度精度,但所需的存储器空间多达2倍,功耗多8倍。湿度通道(仅限DS1923)的功耗与分辨率无关。典型湿度误差5%时,DS1923应设置为低分辨率湿度记录。
表1. 数据记录采样点容量
Logger Model
Samples Capacity
Low Resolution High Resolution Diverse Resolution
DS1921 series 2048 N/A N/A
DS1922 series, DS1923 (single-channel operation) 8192 4096 N/A
DS1923 (dual-channel operation) 4096 2048 2560

反转(任务参数)

设置记录器时,必须确保任务期间采集的采样点数量适合数据记录存储器。如果任务的时间长于预期,记录器产生的数据多于存储器可储存的数量。反转选项允许用户选择写满存储器时记录器的动作。
如果选择禁止反转,写满存储器时,不再储存数据;其余的数据丢失,但是储存从任务开始到存储器末尾的全部数据。如果选择允许反转,继续记录,但丢失任务开始的数据,用新数据覆盖。

采样率(任务参数)

记录器iButton数据资料利用术语采样率说明任务期间连续测量(记录项)之间的时间。通常以分钟为单位规定采样率。DS1922/3系列记录器也支持快采样率,以秒为单位规定采样率。

实时时钟(RTC)

每个记录器都具有时钟,与任务参数一起,控制工作期间的事件定时。像电子表一样,记录器的时钟消耗一定的能量。器件具有电池保鲜功能,记录器从工厂发货时停止(暂停)时钟。为节约电能,建议在执行任务后停止时钟。为了在执行任务期间,为记录数据提供定时基准,任何情况下都要首先启动时钟并将其设置为正确的时间。

任务启动延时(任务参数)

设置记录器时,可指定从将任务参数写入至记录器(“now”)到第一次测量(记录项)之间的延迟时间。实际开始记录之前需要设置多个记录器时,启动延时非常方便。如果立即开始任务,启动延时为0。
如果某项任务执行时间太长,单个记录器不能储存全部数据,可使用多个记录器监测任务,启动延时就是一项关键功能。这种情况下,禁用反转非常重要。完成任务时,用户可下载不同记录器的任务数据,然后在电子表格中按正确的顺序将其重新组合,以供进一步处理。
注:不同系列记录器的启动延时范围(以分钟测量)不同。DS1921系列器件的最大延时为65536分钟或45.5天。DS1922/3系列的最大延时为1.6777千万分钟或约31年。由于记录器的RTC在极高或极低温度下每月会延迟多达8分钟,如果启动延时为若干月,会引起明显的累积时间误差(关于RTC精度及电池寿命和温度关系的更多信息,请参见温度记录器的数据资料)。

温度误差

温度误差说明实际温度与实测温度之间的温度偏差。对于大多数情况,DS1921系列记录器的最大误差为±1°C。高分辨率模式下,DS1922L记录器在-15°C至+65°C范围内的最大误差为±0.5°C。误差取决于记录器型号和实际温度(参见器件的数据资料)。

温度(或湿度)报警门限(任务参数)

记录器的目的是监测对象的温度和/或湿度是否保持在特定限值范围之内。合适的范围由高温报警和低温报警门限表示。记录器iButtons具有储存这些门限的寄存器。工作期间,记录值超出相应范围时,置位对应的寄存器位,发出报警指示。读取报警位是检查任务是否在用户规定限值范围内的快速方式。如果超出门限,必须下载和处理整个任务的数据才能找出发生的时间及长度,这一点适用于所有iButtons。DS1921系列记录器具有独立的报警存储器,以压缩格式记录报警定时信息。

直方图功能和温度报警记录(仅限DS1921系列)

有两种截然不同的数据记录方式。A:可随测量值记录首次测量的时间标记。然后,以规定的采样率,仅记录测量值。这种方法产生随时间变化的数据特性。B:可记录首次测量的时间标记,对于每次测量,增加与该值相关的计数。结果以直方图显示,表示特定值在工作期间发生的频度。DS1921系列记录器同时提供这两种方法。直方图随每次采样连续更新,无论是否允许反转或数据记录器是否已填满。然而,直方图法不记录测得特定温度值的时间。只要温度保持在相应范围之内,时间信息丢失将不会成为问题。温度变化明显时,例如制冷系统瘫痪,则完全不同。如果在设置任务时正确定义温度报警的上限和下限门限,报警记录就能发挥作用。温度达到或超过报警门限时,DS1921系列记录器记录报警时间标记(等于发生报警时的采样点数量),然后利用计数器记录报警条件的持续时间(采样点数量)。报警记录支持12个上限报警和12个下限报警事件,即使数据记录存储器已写满。

时钟(RTC)报警(仅限DS1921系列,任务参数)

除温度报警外,DS1921系列记录器也支持时钟报警。时钟报警功能与任务无关;首次发生报警时,寄存器中的相应位置位。如果记录器连接至远端主控制器,则时钟报警非常有利。主控制器可设置在规定的时间以无线方式发送记录,然后启动新任务。这允许主控制器在大多数时间处于休眠状态,节约电能。主控制器唤醒时,检查DS1921的时钟报警。如果没有时钟报警,主控制器立即返回休眠。否则,清除时钟报警状态,根据设置处理任务数据。通常情况下,记录器在任务期间不连接至主控制器。这种情况下,可忽略时钟报警功能。

SUTA (仅限DS1922/3,任务参数)

SUTA是“Start (Mission) Upon Temperature Alarm" (发生温度报警时启动任务)的缩写。该功能可节省存储器空间,如果使用高分辨率温度记录,也可节省电池电量。如果选择SUTA,记录器将等待到超过任务启动延时,然后开始以规定的采样率、低分辨率测量温度。器件在温度值达到或超过规定的温度报警门限之前将丢弃测量的温度值,记录的第一个温度是发生报警时的温度值。下次采样时,记录任务时间标记,器件继续以所选择的分辨率进行记录。

最小实用采样率

温度记录器iButtons具有固有的温度特性,iButton完全适应突变温度所需要的最长时间为10分钟。因此,如果采样率快于5分钟,则不能获得与环境有关的任何有意义的数据。收集的唯一有意义数据是温度何时开始变化。选择任务的采样率时,应考虑这一因素。

选择任务参数

采样率

首先选择记录器型号,然后确定哪种温度分辨率合适。采集数据用于科学研究时,推荐使用高分辨率。大多数情况下,低分辨率即可满足要求。然后从表1获得采样点容量(CAP)。接下来的重要信息是任务的持续时间(D,以天表示)。
有两种方法可确定采样率。方法1依赖于简单的采样率计算器程序,可免费下载。查找以“TempLoggerCalc”开始的ZIP文件。下载ZIP文件,然后双击setup.exe文件安装程序。
安装之后,选择记录器型号和分辨率。然后缓慢移动“minutes”滑动块,读取对应的任务持续时间。如果以天为单位的持续时间等于或略微长于所需的持续时间,读取滑块位置。这是设置任务时使用的以分钟为单位的采样率。对于DS1922和DS1922,计算器允许指定小时、分钟和秒数,以精调采样率。从选择小时数开始,然后选择分钟,再然后选择秒数。计算的持续时间与任务的持续时间一致时,读取以秒为单位的持续时间,然后在设置任务时输入。通过计算器获得采样率虽然快速、方便,但会造成“滚动采样时间”。例如,假设采样率为17分钟,任务从14:00准确开始。采样时间将为:
Sample number Sample time
1 14:00
2 14:17
3 14:34
4 14:51
5 15:08
6 15:25, etc.
采用滚动采样时间时,可能要求对任务数据进行后处理,以研究重复模式。
方法2开始时类似于采样率计算器。在随后的迭代过程中,修改初始计算的采样率,以确保在每个小时的相同分钟进行测量(每小时多个采样点),或者在每天的相同时间进行测量(每小时的采样点少于1个)。图1所示为方法2的流程图。
图1. 方法2采样率流程图
图1. 方法2采样率流程图
Legend
Name Explanation
CAP Samples capacity of the logger as obtained from Table 1
D Duration of the mission in days
SRC Calculated sample rate in minutes, by dividing the mission duration (in days) by the samples capacity of the logger at the given resolution
SPH Samples per hour
SPD Samples per day
SRM Modified sample rate
INTGR Any positive number that doesn't have a fraction, e.g., 1, 2, 3, 4, 5, etc.

例1:

CAP = 2048个采样点;D = 12天
SRC = 8.4375,小于60,即每小时多个采样点。
SPH = 7.11 (非整数)
SRM = 9 SPH = 6.666 (非整数)
SRM = 10 SPH = 6 完成;采样率 = SRM = 10
结果:每小时6次采样,每10分钟一个采样点。写满存储器之前,任务可持续的天数= SRM × CAP/1440 = 14.22天。

例2:

CAP = 8192个采样点;D = 365天(1年)
SRC = 64.16,大于60,即每小时的采样点小于一个。
SPD = 22.44 (非整数)
SRM = 65 SPD = 22.15 (非整数)
SRM = 66,等等。
...
SRM = 80 SPD = 18完成,采样率 = SRM = 80
结果:每天18次采样,每80分钟一个采样点。写满存储器之前,任务可持续的天数 = SRM × CAP/1440 = 455天。

例3:

CAP = 8192个采样点;D = 6天
SRC = 1.0546875,小于60,即每小时多个采样点。
SPH = 56.8889 (非整数)
SRM = 2 SPH = 30 完成;采样率 = SRM = 2
结果:每小时30次采样,每2分钟一个采样点。写满存储器之前,任务可持续的天数 = SRM × CAP/1440 = 11.37天。可选择较低的采样率,不损失精度。

启动延时

为了立即启动任务,采用0延时启动。否则,指定现在和任务预期启动时间差,单位为分钟。如果将多个记录器用于长期任务,需要非零延时启动,以确保写满第一个记录器的数据记录存储器时,第二个记录器启动,依次类推。

反转

如果最新的数据比任务开始时的数据更重要,允许反转。多个记录器用于长期任务时,不要允许反转(参见启动延时说明)。

报警门限

为充分利用温度报警记录功能(DS1921系列)或SUTA功能(DS1922系列和DS1923),需要设置门限,一个用于低温报警,另一个用于高温报警。实际门限值取决于被监测对象及任务期间可接受的温度范围(无报警)。

SUTA (仅限DS1922系列和DS1923)

只有正确设置温度报警门限时,才使能该功能。否则,任务期间将不收集任何数据。大多数情况下,不使能SUTA功能。

RTC报警(DS1921系列记录器)

除非RTC报警功能有利于应用,一般不需要使能时钟报警。

总结

对于许多首次使用记录器的用户,针对任务进行设置是一项具有挑战性的工作。本应用笔记用简朴的语言首先介绍了iButton记录器中使用的技术术语。然后从采样率开始,介绍如何选择其余的任务参数。可使用免费的采样率计算器计算采样率,也可由算法确定。提供示例,便于用户熟悉采样率算法。


下一步
EE-Mail 订阅EE-Mail,接收关于您感兴趣的新文档的自动通知。
© , Maxim Integrated Products, Inc.
The content on this webpage is protected by copyright laws of the United States and of foreign countries. For requests to copy this content, contact us.
APP 5335:
应用笔记 5335,AN5335, AN 5335, APP5335, Appnote5335, Appnote 5335