基于VHDL的嵌入式單總線控制器設(shè)計

DS1820是美國DALLAS公司生產(chǎn)的一種單總線(1-wire)數(shù)字溫度傳感器，采用1-wire總線通信協(xié)議。具有獨特的單總線通信方式以及較高的測量精度，從而獲得了廣泛應(yīng)用。參考文獻[1]詳細介紹了DS1820的基本原理和通信時序，提出由單片機的 I/O端口模擬單總線時序來控制DS1820的方法[1]。參考文獻[2]更進一步地將DS1820測量溫度的分辨率由0.5 ℃提高到了0.1 ℃。將DS1820應(yīng)用于不同領(lǐng)域，同樣取得了較好的效果[3-5]。上述文獻在使用DS1820時均采用微處理器作為總線主機，利用微處理器的I/O端口，用軟件模擬單總線時序，實現(xiàn)與DS1820的通信。因為1-wire器件對總線時序要求嚴格，因此，為了保證與DS1820的可靠通信，微處理器需要采用關(guān)閉中斷的辦法，以防止操作時序被中斷服務(wù)所破壞。這種方法增加了軟件的設(shè)計難度，影響了系統(tǒng)的實時性[6]。

VHDL作為電子設(shè)計主流硬件描述語言，采用了層次化設(shè)計方式，具有電路行為描述能力強、靈活、通用、運算速度快的特點，能夠較容易地實現(xiàn)時序邏輯控制[7]。以數(shù)字溫度傳感器DS1820為例，設(shè)計一個基于VHDL的單總線控制器，實現(xiàn)與DS1820的通信。本文介紹的單總線控制器，有較強的可擴展性，可以連接多種單總線器件，且微處理器可以不用被迫關(guān)閉中斷，滿足實時性嚴格要求的應(yīng)用。

1 DS1820簡介

1.1 DS1820內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS1820主要由4部分組成：64 bit光刻ROM、溫度敏感器件、高速暫存存儲器和溫度報警觸發(fā)器TH、TL。64 bit光刻ROM保存DS1820的唯一64 bit的ROM編碼。高速暫存存儲器包含9個連續(xù)的字節(jié)，存放測得的溫度(補碼)、TH和TL的拷貝、計數(shù)器余值和CRC校驗等數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。所有數(shù)據(jù)均以最低有效位在前的方式讀寫。

DS1820可以采用寄生電源的方式供電，在信號線為高電平的時間周期內(nèi)，把能量儲存在內(nèi)部電容器中，在信號線為低電平期間，由存儲在電容器內(nèi)的電荷供電。DS1820工作時信號線須接4.7 kΩ的上拉電阻，以保證信號線有足夠的驅(qū)動能力。

1.2 DS1820時序及工作方式

DS1820時序如圖2所示，時序波形的電平分為3種類型：主機作用的高低電平、DS1820輸出的高低電平和由上拉電阻拉起的高電平(后2種情況主機釋放信號線)。DS1820閑置時信號線應(yīng)保持高電平。對DS1820的任何操作(讀、寫、復(fù)位等)都是由主機對信號線由邏輯高電平拉至低電平開始。

由時序圖可知，單總線的通信協(xié)議由6種信號類別組成：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1。所有這些信號除了存在脈沖之外，均由總線主機產(chǎn)生。

主機通過單總線對DS1820的操作必須首先由ROM操作命令之一開始?，F(xiàn)以單總線只掛接一個DS1820，讀取溫度數(shù)據(jù)為例，其工作過程如下：

(1)主機產(chǎn)生復(fù)位脈沖，DS1820返回響應(yīng)脈沖;

(2)主機寫入Skip ROM(CCH，跳過ROM)命令，該命令為5種ROM操作命令之一;

(3)主機寫入溫度轉(zhuǎn)換(44H)命令;

(4)主機再次產(chǎn)生復(fù)位脈沖，DS1820返回響應(yīng)脈沖;

(5)主機寫入Skip ROM(CCH，跳過ROM)命令;

(6)主機寫入讀暫存存儲器命令(BEH);

(7)讀暫存存儲器的溫度數(shù)據(jù)。

2 控制器設(shè)計

2.1 控制器結(jié)構(gòu)

控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制器由4部分組成，即邏輯控制、單總線時序控制、數(shù)據(jù)緩存和計數(shù)器。邏輯控制部分用于實現(xiàn)與CPU的通信，D0～D7 為8位雙向數(shù)據(jù)線，EN為啟動信號，下降沿有效。A1、A0為地址信號，其組合決定控制器的工作狀態(tài)。A1A0=00，控制器對DS1820執(zhí)行復(fù)位操作;A1A0=01，控制器執(zhí)行寫入操作;A1A0=10，控制器執(zhí)行讀出操作?？刂破饔赏獠刻峁?00 kHz的時鐘信號CLK，產(chǎn)生5 μs的計數(shù)周期，控制器以5 μs為一個時間片形成DS1820的讀寫時序。計數(shù)器的計數(shù)輸出值控制讀寫周期。單總線時序控制部分的主要功能是產(chǎn)生單總線的讀寫時序，并向DS1820 輸出控制命令，讀出DS1820測得的數(shù)字溫度值及其他輸出信息。

2.2 讀寫時序的實現(xiàn)

DS1820要求引腳驅(qū)動必須是漏極開路引腳，控制器用三態(tài)門與DS1820連接，如圖4所示。其中ctrl為三態(tài)門控制信號，當ctrl=0時輸出信號，ctrl=1時輸入信號。控制器采用5 μs作為基本計時單位，可以保證DS1820時序關(guān)系有一定的余地。

寫字節(jié)部分VHDL代碼：

3 仿真波形

控制器的VHDL程序在MAX+plusII平臺編譯通過，并獲得了正確的復(fù)位、讀、寫時序。圖5為寫時序波形，寫入77H字節(jié)。每次寫入新的bit前，控制器將總線電平拉底10 μs。

基于VHDL的嵌入式DS1820控制器，具有轉(zhuǎn)換速度快、精度高、通用性好等優(yōu)點。同時，嵌入軟核的FPGA可以分擔許多微處理器的工作，降低系統(tǒng)對CPU實時性的要求，也降低了軟件開發(fā)的難度。本文雖然是針對DS1820設(shè)計的控制器，但由于單總線通信協(xié)議的通用性，也可以用于其他單總線器件。