摘 要：以數(shù)字式溫度傳感器DS1820為例，介紹了單總線器件的工作原理,，詳細分析了單總線器件的通信時序,。微處理器與單總線器件通信時必須關(guān)閉中斷，造成系統(tǒng)實時性差,。對此提出了采用VHDL語言設(shè)計嵌入式單總線控制器的方法,。給出了基于VHDL的嵌入式單總線控制器的軟硬件設(shè)計及仿真波形。該控制器的功能已在MAX+plusII平臺上仿真實現(xiàn),，能夠產(chǎn)生DS1820的通信時序,。
關(guān)鍵詞：單總線；DS1820,；VHDL,；控制器
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,。控制器由外部提供200 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：
PROCESS(cq)—輸出1 bit
SIGNAL cout：STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0)；
VARIABLE di：STD_LOGIC,；
BEGIN
ctrl<=‘0’,；
IF(cq>=“0000” AND cq<=“0010”)THEN
di：=‘0’；——拉低輸出電位10 ms
ELSIF(cq>“0010”AND cq<“1110”)THEN
di：=rq,； ——取發(fā)送移位寄存器的輸出位
ELSIF(cq>=“1110”)THEN
di：=‘1’,；cout<=cout + 1；
END IF,；
dqo<=di,；
END PROCESS；
PROCESS(cout) —計數(shù)
SIGNAL f：STD_LOGIC,；
IF cout=“111” THEN
f<=‘0’,；—8位輸出結(jié)束，停止計時
ELSE f<=‘1’,；
END IF,；
END PROCESS,；
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(dān)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。
參考文獻
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