|
1 引言 DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數字溫度傳感器，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位數字量方式串行輸出。 一線(xiàn)式(1-WIRE)串行總線(xiàn)是利用1條信號線(xiàn)就可以與總線(xiàn)上若干器件進(jìn)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(jìn)行通信，也可以通過(guò)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)等可編程邏輯器件(PLD)實(shí)現對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部寄存器中，微處理器可以隨時(shí)快速地從FPGA寄存器中讀取這些信息。 一般在使用DS18B20時(shí)往往采用微處理器的I/O端口實(shí)現與該器件的通信，這種方法雖然比較容易和方便，但是，因為DS18B20的一線(xiàn)式串行總線(xiàn)對時(shí)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(shí)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)破壞。 利用FPGA實(shí)現與DS18B20通信不存在被迫關(guān)閉中斷的情況，可以滿(mǎn)足對實(shí)時(shí)性要求嚴格的應用要求。 2 ProASICplus系列FPGA簡(jiǎn)介 ProASICplus系列FPGA是ACTEL公司推出的基于Flash開(kāi)關(guān)編程技術(shù)的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，包括從7．5萬(wàn)門(mén)的APA075型到100萬(wàn)門(mén)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(diǎn)。 因為ProASICplus系列FPGA基于Flash技術(shù)，利用Flash開(kāi)關(guān)保存內部邏輯，因此不需要另外的器件。由于不需要上電配置過(guò)程，因此具備上電就立即工作的特點(diǎn)。不用配置器件，系統的保密性提高。 筆者在電力監控的產(chǎn)品中利用APA150型FPGA實(shí)現了邏輯控制、A/D采樣控制和FIFO存儲等功能，并利用剩余的資源實(shí)現了DS18B20的通信功能。APA150在整個(gè)系統中充當協(xié)處理器，使主CPU從繁重的實(shí)時(shí)處理中解脫出來(lái)。 3 DS18B20簡(jiǎn)介 3．1內部結構 DS18B20的內部結構如圖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(chǎng)前刻好的，這64位序列號具有惟一性，每個(gè)DS18B20的64位序列號均不相同。 8位CRC生成器可以完成通信時(shí)的校驗。 暫存寄存器有9個(gè)字節，包含溫度測量結果、溫度報警寄存器、CRC校驗碼等內容。 3.2操作步驟 對DS18B20的操作分為3個(gè)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(xiàn)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，FPGA只連接1個(gè)DS18B20，因此只使用讀ROM命令，來(lái)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換(CONVERTT)、寫(xiě)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換，然后通過(guò)讀暫存寄存器命令完成溫度轉化的結果。 3.3操作時(shí)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(dòng)DS18B20溫度轉換、讀取溫度轉化結果。讀取48位ID號和讀取溫度轉換結果過(guò)程中，FPGA還要實(shí)現CRC校驗碼的計算，保證通信數據的可靠性。 以上操作反復進(jìn)行，可以用狀態(tài)機來(lái)實(shí)現。狀態(tài)機的各種狀態(tài)如下： RESET1：對DS18B20進(jìn)行第一次復位，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)作準備。 CMD44：向DS18B20發(fā)出啟動(dòng)溫度轉換命令，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)行第三次復位。 CMDCC2： 向DS18B20發(fā)出忽略ROM命令，為了進(jìn)入下一狀態(tài)作準備。 GET_TEMP：從DS18B20中讀取溫度測量數值。 DELAY：等待狀態(tài)。 WRITE_BIT：向DS18B20中寫(xiě)入數據位狀態(tài)。 READ_BIT：從DS18B20中讀取數據位狀態(tài)。在該狀態(tài)中每讀取1位數據，同時(shí)完成該數據位的CRC校驗計算。所有數據都讀取后，還要讀取8位CRC校驗位。這8位校驗位也經(jīng)過(guò)CRC校驗計算，如果通信沒(méi)有錯誤，總的CRC校驗結果應該是0。這時(shí)可將通信正確的數據保存到id和temp_data寄存器中。 設計中采用Verilog語(yǔ)言建立DS18B20操作模塊”DS18B20_PROC”。在該模塊中實(shí)現以上的狀態(tài)機功能。該模塊的定義為module DS18B20 PROC(sysclk，reset，dq_pim，id，temp_data，dq_ctl)。 從仿真波形可以看出，系統上電后的10ms左右，FPGA可以讀出DS18B20的48位ID值，這樣，主CPU在系統復位后很短的時(shí)間內就可以讀取ID值，進(jìn)行相應的處理。 4.2 FPGA與CPU的接口 在FPGA中，要實(shí)現對DS18B20的通信處理，主模塊要實(shí)現對DS18B20_PROC模塊的調用及建立與CPU之間的接口。 與CPU之間的接口通過(guò)建立若干寄存器實(shí)現。溫度測量值和48位ID可以用4個(gè)16位寄存器保存。CPU通過(guò)讀取這些寄存器可以獲得溫度測量數值和48位ID值。 CPU、FPGA及DS18B20的連接原理如圖4所示。 5 結束語(yǔ) 在系統中，FPGA可以分擔許多主處理器的工作，提高整體實(shí)時(shí)性，降低CPU處理的嚴格實(shí)時(shí)約束，從而降低CPU軟件處理的難度。同時(shí)，由于A(yíng)CTEL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控產(chǎn)品中。測量出的裝置內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。 |
