FPGA與DS18B20型溫度傳感器通信的實現(xiàn) - 全文

　　DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，采用3引腳TO-92型小體積封裝;溫度測量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。

　　一線式(1-WIRE)串行總線是利用1條信號線就可以與總線上若干器件進行通信。具體應用中可以利用微處理器的I/O端口對DS18B20直接進行通信，也可以通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等可編程邏輯器件(PLD)實現(xiàn)對1-WIRE器件的通信。

　　本文介紹利用ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA實現(xiàn)與DS18B20的通信功能。FPGA可以將讀出DS18B20的48位ID號和12位溫度測量結果保存在內(nèi)部寄存器中，微處理器可以隨時快速地從FPGA寄存器中讀取這些信息。

　　一般在使用DS18B20時往往采用微處理器的I/O端口實現(xiàn)與該器件的通信，這種方法雖然比較容易和方便，但是，因為DS18B20的一線式串行總線對時序要求比較嚴格，因此，為了保證與DS18B20的通信可靠性，微處理器與DS18B20通信時需要采用關閉中斷的辦法，以防止操作時序被中斷服務破壞。

　　利用FPGA實現(xiàn)與DS18B20通信不存在被迫關閉中斷的情況，可以滿足對實時性要求嚴格的應用要求。

　　2 ProASICplus系列FPGA簡介

　　ProASICplus系列FPGA是ACTEL公司推出的基于Flash開關編程技術的現(xiàn)場可編程門陣列，包括從7.5萬門的APA075型到100萬門的APAl000型，具有高密度、低功耗、非易失、含有嵌入式RAM及可重復編程等特點。

　　因為ProASICplus系列FPGA基于Flash技術，利用Flash開關保存內(nèi)部邏輯，因此不需要另外的器件。由于不需要上電配置過程，因此具備上電就立即工作的特點。不用配置器件，系統(tǒng)的保密性提高。

　　筆者在電力監(jiān)控的產(chǎn)品中利用APA150型FPGA實現(xiàn)了邏輯控制、A/D采樣控制和FIFO存儲等功能，并利用剩余的資源實現(xiàn)了DS18B20的通信功能。APA150在整個系統(tǒng)中充當協(xié)處理器，使主CPU從繁重的實時處理中解脫出來。

　　3 DS18B20簡介

　　3.1內(nèi)部結構

　　DS18B20的內(nèi)部結構如圖1所示，主要由以下幾部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH(溫度高)和TL(溫度低)、配置寄存器、暫存寄存器(SCRATCHPAD)、存儲器控制邏輯。DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端。

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　　ROM中的64(8位產(chǎn)品家族編號、48位ID號、8位CRC)位序列號是出廠前刻好的，這64位序列號具有惟一性，每個DS18B20的64位序列號均不相同。

　　8位CRC生成器可以完成通信時的校驗。

　　暫存寄存器有9個字節(jié)，包含溫度測量結果、溫度報警寄存器、CRC校驗碼等內(nèi)容。

　　3.2操作步驟

　　對DS18B20的操作分為3個步驟：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。

　　3.2.1初始化

　　FPGA要與DS18B20通信，首先必須完成初始化。FPGA產(chǎn)生復位信號，DS18B20返回響應脈沖。

　　3.2.2ROM命令

　　該步驟完成FPGA與總線上的某一具體DS18B20建立聯(lián)系。ROM命令有搜尋ROM(SEARCH ROM)、讀ROM(READ ROM)、匹配ROM(MATCH ROM)、忽略ROM(SKIP ROM)、報警查找等命令(ALARM SEARCH)。

　　這里，F(xiàn)PGA只連接1個DS18B20，因此只使用讀ROM命令，來讀取DS18B20的48位ID號。

　　3.2.3 DS18B20功能命令

　　FPGA在該步驟中完成溫度轉(zhuǎn)換(CONVERTT)、寫暫存寄存器(WRITE SCRATCHPAD)、讀暫存寄存器(READ SCRATCHPAD)、拷貝暫存寄存器(COPYSCRATCHPAD)、裝載暫存器寄存器(RECALL E2)、讀供電模式命令(READ Power SUPPLY)。

　　文中不用溫度報警功能，因此在本步驟中只需完成溫度轉(zhuǎn)換，然后通過讀暫存寄存器命令完成溫度轉(zhuǎn)化的結果。

　　3.3操作時序

　　從時序圖中可以看出，對DS18B20的操作時序要求比較嚴格。利用FPGA可以實現(xiàn)這些操作時序。

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　　4 FPGA與DS18B20的通信

　　4.1 DS18B20的操作模塊

　　FPGA需要完成DS18B20的初始化、讀取DS18B20的48位ID號、啟動DS18B20溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度轉(zhuǎn)化結果。讀取48位ID號和讀取溫度轉(zhuǎn)換結果過程中，F(xiàn)PGA還要實現(xiàn)CRC校驗碼的計算，保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。

　　以上操作反復進行，可以用狀態(tài)機來實現(xiàn)。狀態(tài)機的各種狀態(tài)如下：

　　RESET1：對DS18B20進行第一次復位，然后進入DELAY狀態(tài)，等待800μs后，進入CMD33狀態(tài)。

　　CMD33：對DS18B20發(fā)出0×33命令，讀取48位ID值。

　　GET_ID：從DS18B20中讀取48位ID值。

　　RESET2：對DS18B20進行第二次復位，然后進入DELAY狀態(tài)等待800μs后，進入CMDCC狀態(tài)。

　　CMDCC：向DS18B20發(fā)出忽略ROM命令，為進入下一狀態(tài)作準備。

　　CMD44：向DS18B20發(fā)出啟動溫度轉(zhuǎn)換命令，然后進入DELAY狀態(tài)等待900ms后進入下一狀態(tài)。

　　RESET3：對DS18B20進行第三次復位。

　　CMDCC2：

　　向DS18B20發(fā)出忽略ROM命令，為了進入下一狀態(tài)作準備。

　　GET_TEMP：從DS18B20中讀取溫度測量數(shù)值。

　　DELAY：等待狀態(tài)。

　　WRITE_BIT：向DS18B20中寫入數(shù)據(jù)位狀態(tài)。

　　READ_BIT：從DS18B20中讀取數(shù)據(jù)位狀態(tài)。在該狀態(tài)中每讀取1位數(shù)據(jù)，同時完成該數(shù)據(jù)位的CRC校驗計算。所有數(shù)據(jù)都讀取后，還要讀取8位CRC校驗位。這8位校驗位也經(jīng)過CRC校驗計算，如果通信沒有錯誤，總的CRC校驗結果應該是0。這時可將通信正確的數(shù)據(jù)保存到id和temp_data寄存器中。

　　設計中采用Verilog語言建立DS18B20操作模塊”DS18B20_PROC”。在該模塊中實現(xiàn)以上的狀態(tài)機功能。該模塊的定義為module DS18B20 PROC(sysclk，reset，dq_pim，id，temp_data，dq_ctl)。

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　　從仿真波形可以看出，系統(tǒng)上電后的10ms左右，F(xiàn)PGA可以讀出DS18B20的48位ID值，這樣，主CPU在系統(tǒng)復位后很短的時間內(nèi)就可以讀取ID值，進行相應的處理。

　　4.2 FPGA與CPU的接口

　　在FPGA中，要實現(xiàn)對DS18B20的通信處理，主模塊要實現(xiàn)對DS18B20_PROC模塊的調(diào)用及建立與CPU之間的接口。

　　與CPU之間的接口通過建立若干寄存器實現(xiàn)。溫度測量值和48位ID可以用4個16位寄存器保存。CPU通過讀取這些寄存器可以獲得溫度測量數(shù)值和48位ID值。

　　CPU、FPGA及DS18B20的連接原理如圖4所示。

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　　5 結束語

　　在系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA可以分擔許多主處理器的工作，提高整體實時性，降低CPU處理的嚴格實時約束，從而降低CPU軟件處理的難度。同時，由于ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA的保密特性，可以增強產(chǎn)品知識產(chǎn)權的保護。

　　本設計應用在電力監(jiān)控產(chǎn)品中。測量出的裝置內(nèi)部溫度用于電量測量精度補償和報警，對保證產(chǎn)品測量精度和可靠運行具有重要意義。48位ID值用于產(chǎn)品的惟一編碼標識和以太網(wǎng)MAC地址，便于產(chǎn)品生產(chǎn)、維護和管理。