FPGA与DS18B20型温度传感器通讯的实现.docx

FPGA与DS18B20型温度传感器通讯的实现ronggang导语：本文介绍利用ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA实现与DS18B20的通讯功能。FPGA可以将读出DS18B20的48位ID号和12位温度测量结果保存在内部存放器中，微处理器可以随时快速地从FPGA存放器中读取这些信息1引言DS18B20是DALLAS公司消费的一线式数字温度传感器，采用3引脚TO-92型小体积封装;温度测量范围为-55+125，可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。一线式1-WIRE串行总线是利用1条信号线就可以与总线上假设干器件进展通讯。详细应用中可以利用微处理器的I/O端口对DS18B20直接进展通讯，也可以通过现场可编程门阵列FPGA等可编程逻辑器件PLD实现对1-WIRE器件的通讯。本文介绍利用ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA实现与DS18B20的通讯功能。FPGA可以将读出DS18B20的48位ID号和12位温度测量结果保存在内部存放器中，微处理器可以随时快速地从FPGA存放器中读取这些信息。一般在使用DS18B20时往往采用微处理器的I/O端口实现与该器件的通讯，这种方法固然比拟轻易和方便，但是，由于DS18B20的一线式串行总线对时序要求比拟严格，因此，为了保证与DS18B20的通讯可靠性，微处理器与DS18B20通讯时需要采用关闭中断的方法，以防止操纵时序被中断效劳破坏。利用FPGA实现与DS18B20通讯不存在被迫关闭中断的情况，可以知足对实时性要求严格的应用要求。2ProASICplus系列FPGA简介ProASICplus系列FPGA是ACTEL公司推出的基于Flash开关编程技术的现场可编程门阵列，包括从7.5万门的APA075型到100万门的APAl000型，具有高密度、低功耗、非易失、含有嵌入式RAM及可重复编程等特点。由于ProASICplus系列FPGA基于Flash技术，利用Flash开关保存内部逻辑，因此不需要另外的器件。由于不需要上电配置经过，因此具备上电就立即工作的特点。不用配置器件，系统的保密性进步。笔者在电力监控的产品中利用APA150型FPGA实现了逻辑控制、A/D采样控制和FIFO存储等功能，并利用剩余的资源实现了DS18B20的通讯功能。APA150在整个系统中充当协处理器，使主CPU从繁重的实时处理中解脱出来。3DS18B20简介3.1内部构造DS18B20的内部构造如图1所示，主要由以下几局部组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH温度高和TL温度低、配置存放器、暂存存放器SCRATCHPAD、存储器控制逻辑。DQ为数字信号输入/输出端。ROM中的648位产品家族编号、48位ID号、8位CRC位序列号是出厂前刻好的，这64位序列号具有惟一性，每个DS18B20的64位序列号均不一样。8位CRC生成器可以完成通讯时的校验。暂存存放器有9个字节，包含温度测量结果、温度报警存放器、CRC校验码等内容。3.2操纵步骤对DS18B20的操纵分为3个步骤：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。3.2.1初始化FPGA要与DS18B20通讯，首先必须完成初始化。FPGA产生复位信号，DS18B20返回响应脉冲。3.2.2ROM命令该步骤完成FPGA与总线上的某一详细DS18B20建立联络。ROM命令有搜寻ROMSEARCHROM、读ROMREADROM、匹配ROMMATCHROM、忽略ROMSKIPROM、报警查找等命令ALARMSEARCH。这里，FPGA只连接1个DS18B20，因此只使用读ROM命令，来读取DS18B20的48位ID号。3.2.3DS18B20功能命令FPGA在该步骤中完成温度转换CONVERTT、写暂存存放器WRITESCRATCHPAD、读暂存存放器READSCRATCHPAD、拷贝暂存存放器COPYSCRATCHPAD、装载暂存器存放器RECALLE2、读供电形式命令READPOWERSUPPLY。文中不用温度报警功能，因此在本步骤中只需完成温度转换，然后通过读暂存存放器命令完成温度转化的结果。3.3操纵时序2所示。从时序图中可以看出，对DS18B20的操纵时序要求比拟严格。利用FPGA可以实现这些操纵时序。4FPGA与DS18B20的通讯4.1DS18B20的操纵模块FPGA需要完成DS18B20的初始化、读取DS18B20的48位ID号、启动DS18B20温度转换、读取温度转化结果。读取48位ID号和读取温度转换结果经过中，FPGA还要实现CRC校验码的计算，保证通讯数据的可靠性。以上操纵反复进展，可以用状态机来实现。状态机的各种状态如下：RESET1：对DS18B20进展第一次复位，然后进入DELAY状态，等待800s后，进入CMD33状态。CMD33：对DS18B20发出0×33命令，读取48位ID值。GET_ID：从DS18B20中读取48位ID值。RESET2：对DS18B20进展第二次复位，然后进入DELAY状态等待800s后，进入CMDCC状态。CMDCC：向DS18B20发出忽略ROM命令，为进入下一状态作预备。CMD44：向DS18B20发出启动温度转换命令，然后进入DELAY状态等待900ms后进入下一状态。RESET3：对DS18B20进展第三次复位。CMDCC2：向DS18B20发出忽略ROM命令，为了进入下一状态作预备。GET_TEMP：从DS18B20中读取温度测量数值。DELAY：等待状态。WRITE_BIT：向DS18B20中写入数据位状态。READ_BIT：从DS18B20中读取数据位状态。在该状态中每读取1位数据，同时完成该数据位的CRC校验计算。所有数据都读取后，还要读取8位CRC校验位。这8位校验位也经过CRC校验计算，假如通讯没有错误，总的CRC校验结果应该是0。这时可将通讯正确的数据保存到id和temp_data存放器中。设计中采用Verilog语言建立DS18B20操纵模块DS18B20_PROC。在该模块中实现以上的状态机功能。该模块的定义为moduleDS18B20PROCsysclk，reset，dq_pim，id，temp_data，dq_ctl。从仿真波形可以看出，系统上电后的10ms左右，FPGA可以读出DS18B20的48位ID值，这样，主CPU在系统复位后很短的时间内就可以读取ID值，进展相应的处理。4.2FPGA与CPU的接口在FPGA中，要实现对DS18B20的通讯处理，主模块要实现对DS18B20_PROC模块的调用及建立与CPU之间的接口。与CPU之间的接口通过建立假设干存放器实现。温度测量值和48位ID可以用4个16位存放器保存。CPU通过读取这些存放器可以获得温度测量数值和48位ID值。CPU、FPGA及DS18B20的连接原理如图4所示。5完毕语在系统中，FPGA可以分担很多主处理器的工作，进步整体实时性，降低CPU处理的严格实时约束，进而降低CPU软件处理的难度。同时，由于ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA的保密特性，可以增强产品知识产权的保护。本设计应用在电力监控产品中。测量出的装置内部温度用于电量测量精度补偿和报警，对保证产品测量精度和可靠运行具有重要意义。48位ID值用于产品的惟一编码标识和以太网MAC地址，便于产品消费、维护和治理。