《電子技術(shù)應(yīng)用》
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FPGA與DS18B20型溫度傳感器通信的實(shí)現(xiàn)
電子開(kāi)發(fā)網(wǎng)
摘要: 在系統(tǒng)中,F(xiàn)PGA可以分擔(dān)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(yán)格實(shí)時(shí)約束,從而降低CPU軟件處理的難度,。同時(shí),由于ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA的保密特性,,可以增強(qiáng)產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù),。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用在電力監(jiān)控產(chǎn)品中。測(cè)量出的裝置內(nèi)部溫度用于電量測(cè)量精度補(bǔ)償和報(bào)警,,對(duì)保證產(chǎn)品測(cè)量精度和可靠運(yùn)行具有重要意義,。48位ID值用于產(chǎn)品的惟一編碼標(biāo)識(shí)和以太網(wǎng)MAC地址,便于產(chǎn)品生產(chǎn),、維護(hù)和管理,。
關(guān)鍵詞: FPGA DS18B20 溫度傳感器 ProASIC
Abstract:
Key words :

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器,采用3引腳TO-92型小體積封裝,;溫度測(cè)量范圍為-55℃~+125℃,,可編程為9位~12位A/D轉(zhuǎn)換精度,測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃,,被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)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(hào)線(xiàn)就可以與總線(xiàn)上若干器件進(jìn)行通信。具體應(yīng)用中可以利用微處理器的I/O端口對(duì)DS18B20直接進(jìn)行通信,,也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)等可編程邏輯器件(PLD)實(shí)現(xiàn)對(duì)1-WIRE器件的通信,。

本文介紹利用ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA實(shí)現(xiàn)與DS18B20的通信功能。FPGA可以將讀出DS18B20的48位ID號(hào)和12位溫度測(cè)量結(jié)果保存在內(nèi)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(xiàn)與該器件的通信,這種方法雖然比較容易和方便,,但是,,因?yàn)镈S18B20的一線(xiàn)式串行總線(xiàn)對(duì)時(shí)序要求比較嚴(yán)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(xiàn)與DS18B20通信不存在被迫關(guān)閉中斷的情況,,可以滿(mǎn)足對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的應(yīng)用要求。

2ProASICplus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(xiàn)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(fù)編程等特點(diǎn),。

因?yàn)镻roASICplus系列FPGA基于Flash技術(shù),利用Flash開(kāi)關(guān)保存內(nèi)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(tǒng)的保密性提高,。
 
筆者在電力監(jiān)控的產(chǎn)品中利用APA150型FPGA實(shí)現(xiàn)了邏輯控制,、A/D采樣控制和FIFO存儲(chǔ)等功能,并利用剩余的資源實(shí)現(xiàn)了DS18B20的通信功能,。APA150在整個(gè)系統(tǒng)中充當(dāng)協(xié)處理器,,使主CPU從繁重的實(shí)時(shí)處理中解脫出來(lái)。

3DS18B20簡(jiǎn)介

3.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)


DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(bào)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(chǔ)器控制邏輯,。DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端,。



ROM中的64(8位產(chǎn)品家族編號(hào)、48位ID號(hào),、8位CRC)位序列號(hào)是出廠(chǎng)前刻好的,,這64位序列號(hào)具有惟一性,每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同,。

8位CRC生成器可以完成通信時(shí)的校驗(yàn),。

暫存寄存器有9個(gè)字節(jié),包含溫度測(cè)量結(jié)果,、溫度報(bào)警寄存器,、CRC校驗(yàn)碼等內(nèi)容。

3.2操作步驟

對(duì)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(fù)位信號(hào),,DS18B20返回響應(yīng)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(bào)警查找等命令(ALARM SEARCH),。

這里,F(xiàn)PGA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(hào)。

3.2.3?DS18B20功能命令

FPGA在該步驟中完成溫度轉(zhuǎn)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(bào)警功能,,因此在本步驟中只需完成溫度轉(zhuǎn)換,,然后通過(guò)讀暫存寄存器命令完成溫度轉(zhuǎn)化的結(jié)果。

3.3操作時(shí)序

2所示,。從時(shí)序圖中可以看出,,對(duì)DS18B20的操作時(shí)序要求比較嚴(yán)格。利用FPGA可以實(shí)現(xiàn)這些操作時(shí)序,。



4FPGA與DS18B20的通信

4.1DS18B20的操作模塊


FPGA需要完成DS18B20的初始化,、讀取DS18B20的48位ID號(hào)、啟動(dòng)DS18B20溫度轉(zhuǎn)換,、讀取溫度轉(zhuǎn)化結(jié)果,。讀取48位ID號(hào)和讀取溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果過(guò)程中,F(xiàn)PGA還要實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)碼的計(jì)算,,保證通信數(shù)據(jù)的可靠性,。


以上操作反復(fù)進(jìn)行,可以用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),。狀態(tài)機(jī)的各種狀態(tài)如下:

 RESET1:對(duì)DS18B20進(jìn)行第一次復(fù)位,,然后進(jìn)入DELAY狀態(tài),等待800μs后,,進(jìn)入CMD33狀態(tài),。
  CMD33:對(duì)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(duì)DS18B20進(jìn)行第二次復(fù)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(zhǔn)備。
  CMD44:向DS18B20發(fā)出啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)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(duì)DS18B20進(jìn)行第三次復(fù)位。
  CMDCC2:
向DS18B20發(fā)出忽略ROM命令,,為了進(jìn)入下一狀態(tài)作準(zhǔn)備,。
  GET_TEMP:從DS18B20中讀取溫度測(cè)量數(shù)值。
  DELAY:等待狀態(tài),。
  WRITE_BIT:向DS18B20中寫(xiě)入數(shù)據(jù)位狀態(tài),。
  READ_BIT:從DS18B20中讀取數(shù)據(jù)位狀態(tài),。在該狀態(tài)中每讀取1位數(shù)據(jù),,同時(shí)完成該數(shù)據(jù)位的CRC校驗(yàn)計(jì)算。所有數(shù)據(jù)都讀取后,,還要讀取8位CRC校驗(yàn)位,。這8位校驗(yàn)位也經(jīng)過(guò)CRC校驗(yàn)計(jì)算,如果通信沒(méi)有錯(cuò)誤,,總的CRC校驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是0,。這時(shí)可將通信正確的數(shù)據(jù)保存到id和temp_data寄存器中。

設(shè)計(jì)中采用Verilog語(yǔ)言建立DS18B20操作模塊”DS18B20_PROC”,。在該模塊中實(shí)現(xiàn)以上的狀態(tài)機(jī)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(tǒng)上電后的10ms左右,,F(xiàn)PGA可以讀出DS18B20的48位ID值,,這樣,主CPU在系統(tǒng)復(fù)位后很短的時(shí)間內(nèi)就可以讀取ID值,,進(jìn)行相應(yīng)的處理,。

4.2FPGA與CPU的接口

在FPGA中,要實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20的通信處理,,主模塊要實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20_PROC模塊的調(diào)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(xiàn),。溫度測(cè)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(cè)量數(shù)值和48位ID值,。

CPU,、FPGA及DS18B20的連接原理如圖4所示。

 
5結(jié)束語(yǔ)


在系統(tǒng)中,,F(xiàn)PGA可以分擔(dān)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(yán)格實(shí)時(shí)約束,,從而降低CPU軟件處理的難度,。同時(shí),由于ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA的保密特性,,可以增強(qiáng)產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù),。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用在電力監(jiān)控產(chǎn)品中。測(cè)量出的裝置內(nèi)部溫度用于電量測(cè)量精度補(bǔ)償和報(bào)警,,對(duì)保證產(chǎn)品測(cè)量精度和可靠運(yùn)行具有重要意義,。48位ID值用于產(chǎn)品的惟一編碼標(biāo)識(shí)和以太網(wǎng)MAC地址,便于產(chǎn)品生產(chǎn),、維護(hù)和管理,。

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