l 引言
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,采用3引脚T0-92型小体积封装;温度测量范围为-55℃～+125~C,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若干器件进行通信。具体应用中可以利用微处理器的I/O端口对DS18B20直接进行通信,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器件的通信。
本文介绍利用ACTEL公司的ProASICplus系列FPGA实现与DS18B20的通信功能。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寄存器中,微处理器可以随时快速地从FPGA寄存器中读取这些信息。
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信,这种方法虽然比较容易和方便,但是,因为DS18B20的一线式串行总线对时序要求比较严格,因此,为了保证与DS18B20的通信可靠性,微处理器与DS18B20通信时需要采用关闭中断的办法,以防止操作时序被中断服务破坏。
利用FPGA实现与。DS18B20通信不存在被迫关闭中断的情况,可以满足对实时性要求严格的应用要求。
2 ProASICplus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。
因为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过程,因此具备上电就立即工作的特点。不用配置器件,系统的保密性提高。
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的通信功能。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。
3 DS18B20简介
3．1内部结构
DS18B20的内部结构如图1所示,主要由以下几部分组成：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)、配置寄存器、暂存寄存器(SCRATCHPAD)、存储器控制逻辑。DQ为数字信号输入/输出端。
ROM中的64(8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位序列号均不相同。
8位CRC生成器可以完成通信时的校验。
暂存寄存器有9个字节,包含温度测量结果、温度报警寄存器、CRC校验码等内容。
3．2操作步骤
对DS18B20的操作分为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通信,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与总线上的某一具体DS18B20建立联系。ROM命令有搜寻ROM(SEARCH ROM)、读ROM(READ ROM)、匹配ROM(MATCH ROM)、忽略ROM(SKIP ROM)、报警查找等命令(ALARM SEARCH)。
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。
3．2．3 DS18B20功能命令
FPGA在该步骤中完成温度转换(CONVERTT)、写暂存寄存器(WRITE SCRATCHPAD)、读暂存寄存器(READ SCRATCHPAD)、拷贝暂存寄存器(COPYSCRATCHPAD)、装载暂存器寄存器(RECALL E2)、读供电模式命令(READ POWER SUPPLY)。
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,然后通过读暂存寄存器命令完成温度转化的结果。
3．3操作时序
DS18B20的一线式操作时序如图2所示。从时序图中可以看出,对DS18B20的操作时序要求比较严格。利用FPGA可以实现这些操作时序。
4 FPGA与DS18B20的通信
4．1 DS18B20的操作模块
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过程中,FPGA还要实现CRC校验码的计算,保证通信数据的可靠性。
以上操作反复进行,可以用状态机来实现。状态机的各种状态如下：
RESET1：对DS18B20进行第一次复位,然后进入DELAY状态,等待800μs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进行第二次复位,然后进入DELAY状态等待800μs后,进入CMDCC状态。
CMDCC：向DS18B20发出忽略ROM命令,为进入下一状态作准备。
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进行第三次复位。
CMDCC2：向DS18B20发出忽略ROM命令,为了进入下一状态作准备。
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,如果通信没有错误,总的CRC校验结果应该是0。这时可将通信正确的数据保存到id和temp_data寄存器中。
设计中采用Verilog语言建立DS18B20操作模块”DS18B20_PROC”。在该模块中实现以上的状态机功能。该模块的定义为module DS18B20 PROC(sysclk,reset,dq_pim,id,temp_data,dq_ctl)。图3示出是该模块的仿真波形。
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,进行相应的处理。
4．2 FPGA与CPU的接口
在FPGA中,要实现对DS18B20的通信处理,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若干寄存器实现。温度测量值和48位ID可以用4个16位寄存器保存。CPU通过读取这些寄存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 结束语
在系统中,FPGA可以分担许多主处理器的工作,提高整体实时性,降低CPU处理的严格实时约束,从而降低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,便于产品生产、维护和管理。