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[導(dǎo)讀]嵌入式單總線控制器設(shè)計(jì)

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(dú)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(xiàn)[1]詳細(xì)介紹了DS1820的基本原理和通信時(shí)序,提出由單片機(jī)的I/O端口模擬單總線時(shí)序來控制DS1820的方法[1]。參考文獻(xiàn)[2]更進(jìn)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(xiàn)在使用DS1820時(shí)均采用微處理器作為總線主機(jī),利用微處理器的I/O端口,用軟件模擬單總線時(shí)序,實(shí)現(xiàn)與DS1820的通信。因?yàn)?-wire器件對總線時(shí)序要求嚴(yán)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(shí)序被中斷服務(wù)所破壞。這種方法增加了軟件的設(shè)計(jì)難度,影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[6]。

  VHDL作為電子設(shè)計(jì)主流硬件描述語言,采用了層次化設(shè)計(jì)方式,具有電路行為描述能力強(qiáng)、靈活、通用、運(yùn)算速度快的特點(diǎn),能夠較容易地實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯控制[7]。以數(shù)字溫度傳感器DS1820為例,設(shè)計(jì)一個(gè)基于VHDL的單總線控制器,實(shí)現(xiàn)與DS1820的通信。本文介紹的單總線控制器,有較強(qiáng)的可擴(kuò)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(shí)時(shí)性嚴(yán)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(chǔ)器和溫度報(bào)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(chǔ)器包含9個(gè)連續(xù)的字節(jié),存放測得的溫度(補(bǔ)碼)、TH和TL的拷貝、計(jì)數(shù)器余值和CRC校驗(yàn)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(hào)線為高電平的時(shí)間周期內(nèi),把能量儲(chǔ)存在內(nèi)部電容器中,在信號(hào)線為低電平期間,由存儲(chǔ)在電容器內(nèi)的電荷供電。DS1820工作時(shí)信號(hào)線須接4.7 kΩ的上拉電阻,以保證信號(hào)線有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

  1.2 DS1820時(shí)序及工作方式

  DS1820時(shí)序如圖2所示,時(shí)序波形的電平分為3種類型:主機(jī)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(jī)釋放信號(hào)線)。DS1820閑置時(shí)信號(hào)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(jī)對信號(hào)線由邏輯高電平拉至低電平開始。

  由時(shí)序圖可知,單總線的通信協(xié)議由6種信號(hào)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(hào)除了存在脈沖之外,均由總線主機(jī)產(chǎn)生。

  主機(jī)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(gè)DS1820,讀取溫度數(shù)據(jù)為例,其工作過程如下:

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

  (2)主機(jī)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(jī)寫入溫度轉(zhuǎn)換(44H)命令;

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

  (5)主機(jī)寫入Skip ROM(CCH,跳過ROM)命令;

  (6)主機(jī)寫入讀暫存存儲(chǔ)器命令(BEH);

  (7)讀暫存存儲(chǔ)器的溫度數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]

  2 控制器設(shè)計(jì)

  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(shí)序控制、數(shù)據(jù)緩存和計(jì)數(shù)器。邏輯控制部分用于實(shí)現(xiàn)與CPU的通信,D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線,EN為啟動(dòng)信號(hào),下降沿有效。A1、A0為地址信號(hào),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(shí)鐘信號(hào)CLK,產(chǎn)生5 μs的計(jì)數(shù)周期,控制器以5 μs為一個(gè)時(shí)間片形成DS1820的讀寫時(shí)序。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸出值控制讀寫周期。單總線時(shí)序控制部分的主要功能是產(chǎn)生單總線的讀寫時(shí)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(shí)序的實(shí)現(xiàn)

  DS1820要求引腳驅(qū)動(dòng)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(hào),當(dāng)ctrl=0時(shí)輸出信號(hào),ctrl=1時(shí)輸入信號(hào)??刂破鞑捎? μs作為基本計(jì)時(shí)單位,可以保證DS1820時(shí)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(tái)編譯通過,并獲得了正確的復(fù)位、讀、寫時(shí)序。圖5為寫時(shí)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(diǎn)。同時(shí),嵌入軟核的FPGA可以分擔(dān)許多微處理器的工作,降低系統(tǒng)對CPU實(shí)時(shí)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(jì)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。

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