FPGA與DS18B20型溫度傳感器通信的實(shí)現(xiàn)

    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(dá)0.0625℃，被測溫度用符號擴(kuò)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(jìn)行通信。具體應(yīng)用中可以利用微處理器的I/O端口對DS18B20直接進(jìn)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(shí)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(shí)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(jié)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(shí)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?yàn)镈S18B20的一線式串行總線對時序要求比較嚴(yán)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(guān)閉中斷的辦法，以防止操作時序被中斷服務(wù)破壞。 

    利用FPGA實(shí)現(xiàn)與DS18B20通信不存在被迫關(guān)閉中斷的情況，可以滿足對實(shí)時性要求嚴(yán)格的應(yīng)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(guān)編程技術(shù)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(fù)編程等特點(diǎn)。 

    因?yàn)镻roASICplus系列FPGA基于Flash技術(shù)，利用Flash開關(guān)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(diǎn)。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(shí)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(shí)現(xiàn)了DS18B20的通信功能。APA150在整個系統(tǒng)中充當(dāng)協(xié)處理器，使主CPU從繁重的實(shí)時處理中解脫出來。  

3 DS18B20簡介 

3．1內(nèi)部結(jié)構(gòu) 

    DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(bào)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。  

   
    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(yàn)。 

    暫存寄存器有9個字節(jié)，包含溫度測量結(jié)果、溫度報(bào)警寄存器、CRC校驗(yàn)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(fù)位信號，DS18B20返回響應(yīng)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(bào)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(bào)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(jié)果。 

3.3操作時序 

    2所示。從時序圖中可以看出，對DS18B20的操作時序要求比較嚴(yán)格。利用FPGA可以實(shí)現(xiàn)這些操作時序。

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(jié)果。讀取48位ID號和讀取溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果過程中，F(xiàn)PGA還要實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)碼的計(jì)算，保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。 

    以上操作反復(fù)進(jìn)行，可以用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)機(jī)的各種狀態(tài)如下：

　RESET1：對DS18B20進(jìn)行第一次復(fù)位，然后進(jìn)入DELAY狀態(tài)，等待800μs后，進(jìn)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(jìn)行第二次復(fù)位，然后進(jìn)入DELAY狀態(tài)等待800μs后，進(jìn)入CMDCC狀態(tài)。
    CMDCC：向DS18B20發(fā)出忽略ROM命令，為進(jìn)入下一狀態(tài)作準(zhǔn)備。
    CMD44：向DS18B20發(fā)出啟動溫度轉(zhuǎn)換命令，然后進(jìn)入DELAY狀態(tài)等待900ms后進(jìn)入下一狀態(tài)。
    RESET3：對DS18B20進(jìn)行第三次復(fù)位。
    CMDCC2：   
向DS18B20發(fā)出忽略ROM命令，為了進(jìn)入下一狀態(tài)作準(zhǔn)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(yàn)計(jì)算。所有數(shù)據(jù)都讀取后，還要讀取8位CRC校驗(yàn)位。這8位校驗(yàn)位也經(jīng)過CRC校驗(yàn)計(jì)算，如果通信沒有錯誤，總的CRC校驗(yàn)結(jié)果應(yīng)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(shè)計(jì)中采用Verilog語言建立DS18B20操作模塊”DS18B20_PROC”。在該模塊中實(shí)現(xiàn)以上的狀態(tài)機(jī)功能。該模塊的定義為module DS18B20 PROC(sysclk，reset，dq_pim，id，temp_data，dq_ctl)。

 
 
    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(fù)位后很短的時間內(nèi)就可以讀取ID值，進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4.2 FPGA與CPU的接口

    在FPGA中，要實(shí)現(xiàn)對DS18B20的通信處理，主模塊要實(shí)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(shí)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。 

 
5 結(jié)束語

    在系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA可以分擔(dān)許多主處理器的工作，提高整體實(shí)時性，降低CPU處理的嚴(yán)格實(shí)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(qiáng)產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。

    本設(shè)計(jì)應(yīng)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(bǔ)償和報(bào)警，對保證產(chǎn)品測量精度和可靠運(yùn)行具有重要意義。48位ID值用于產(chǎn)品的惟一編碼標(biāo)識和以太網(wǎng)MAC地址，便于產(chǎn)品生產(chǎn)、維護(hù)和管理。