DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器,，采用3引腳TO-92型小體積封裝,；溫度測量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度,，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃,，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出。
一線式(1-WIRE)串行總線是利用1條信號線就可以與總線上若干器件進(jìn)行通信,。具體應(yīng)用中可以利用微處理器的I/O端口對DS18B20直接進(jìn)行通信,，也可以通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等可編程邏輯器件(PLD)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(jié)果保存在內(nèi)部寄存器中,，微處理器可以隨時快速地從FPGA寄存器中讀取這些信息,。
一般在使用DS18B20時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的一線式串行總線對時序要求比較嚴(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)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,，可以滿足對實(shí)時性要求嚴(yán)格的應(yīng)用要求。
2ProASICplus系列FPGA簡介
ProASICplus系列FPGA是ACTEL公司推出的基于Flash開關(guān)編程技術(shù)的現(xiàn)場可編程門陣列,，包括從7．5萬門的APA075型到100萬門的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在整個系統(tǒng)中充當(dāng)協(xié)處理器,，使主CPU從繁重的實(shí)時處理中解脫出來。
3DS18B20簡介
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(shù)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)位序列號是出廠前刻好的,，這64位序列號具有惟一性,，每個DS18B20的64位序列號均不相同。
8位CRC生成器可以完成通信時的校驗(yàn),。
暫存寄存器有9個字節(jié),，包含溫度測量結(jié)果、溫度報警寄存器,、CRC校驗(yàn)碼等內(nèi)容,。
3.2操作步驟
對DS18B20的操作分為3個步驟：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,，DS18B20返回響應(yīng)脈沖,。
3.2.2ROM命令
該步驟完成FPGA與總線上的某一具體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，F(xiàn)PGA只連接1個DS18B20,，因此只使用讀ROM命令,，來讀取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(zhuǎn)換(CONVERTT),、寫暫存寄存器(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(zhuǎn)換，然后通過讀暫存寄存器命令完成溫度轉(zhuǎn)化的結(jié)果,。
3.3操作時序
2所示,。從時序圖中可以看出，對DS18B20的操作時序要求比較嚴(yán)格,。利用FPGA可以實(shí)現(xiàn)這些操作時序,。
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,、啟動DS18B20溫度轉(zhuǎn)換,、讀取溫度轉(zhuǎn)化結(jié)果,。讀取48位ID號和讀取溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果過程中，F(xiàn)PGA還要實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)碼的計算,，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)來實(shí)現(xiàn),。狀態(tài)機(jī)的各種狀態(tài)如下：
RESET1：對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(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中讀取溫度測量數(shù)值,。
DELAY：等待狀態(tài),。
WRITE_BIT：向DS18B20中寫入數(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),，同時完成該數(shù)據(jù)位的CRC校驗(yàn)計算。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CRC校驗(yàn)計算，如果通信沒有錯誤,，總的CRC校驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是0,。這時可將通信正確的數(shù)據(jù)保存到id和temp_data寄存器中。
設(shè)計中采用Verilog語言建立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DS18B20的通信處理，主模塊要實(shí)現(xiàn)對DS18B20_PROC模塊的調(diào)用及建立與CPU之間的接口,。
與CPU之間的接口通過建立若干寄存器實(shí)現(xiàn),。溫度測量值和48位ID可以用4個16位寄存器保存。CPU通過讀取這些寄存器可以獲得溫度測量數(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
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)時性，降低CPU處理的嚴(yán)格實(shí)時約束,，從而降低CPU軟件處理的難度,。同時，由于ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA的保密特性,，可以增強(qiáng)產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù),。
本設(shè)計應(yīng)用在電力監(jiān)控產(chǎn)品中。測量出的裝置內(nèi)部溫度用于電量測量精度補(bǔ)償和報警,，對保證產(chǎn)品測量精度和可靠運(yùn)行具有重要意義,。48位ID值用于產(chǎn)品的惟一編碼標(biāo)識和以太網(wǎng)MAC地址，便于產(chǎn)品生產(chǎn),、維護(hù)和管理。