FPGA與DSl8820型溫度傳感器通信的實現

l 引言

ds18b20是dallas公司生產的一線式數字溫度傳感器，采用3引腳t0-92型小體積封裝；溫度測量范圍為-55℃～+125~c，可編程為9位～12位a/d轉換精度，測溫分辨率可達0．0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出。

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行通信。具體應用中可以利用微處理器的i/o端口對ds18b20直接進行通信，也可以通過現場可編程門陣列(fpga)等可編程邏輯器件(pld)實現對1-wire器件的通信。

本文介紹利用actel公司的proasicplus系列fpga實現與ds18b20的通信功能。fpga可以將讀出ds18b20的48位id號和12位溫度測量結果保存在內部寄存器中，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端口實現與該器件的通信，這種方法雖然比較容易和方便，但是，因為ds18b20的一線式串行總線對時序要求比較嚴格，因此，為了保證與ds18b20的通信可靠性，微處理器與ds18b20通信時需要采用關閉中斷的辦法，以防止操作時序被中斷服務破壞。

利用fpga實現與。ds18b20通信不存在被迫關閉中斷的情況，可以滿足對實時性要求嚴格的應用要求。

2 proasicplus系列fpga簡介

proasicplus系列fpga是actel公司推出的基于flash開關編程技術的現場可編程門陣列，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及可重復編程等特點。

因為proasicplus系列fpga基于flash技術，利用flash開關保存內部邏輯，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。不用配置器件，系統(tǒng)的保密性提高。

筆者在電力監(jiān)控的產品中利用apa150型fpga實現了邏輯控制、a/d采樣控制和fifo存儲等功能，并利用剩余的資源實現了ds18b20的通信功能。apa150在整個系統(tǒng)中充當協(xié)處理器，使主cpu從繁重的實時處理中解脫出來。

3 ds18b20簡介

3．1內部結構

ds18b20的內部結構如圖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為數字信號輸入/輸出端。

8位crc生成器可以完成通信時的校驗。

暫存寄存器有9個字節(jié)，包含溫度測量結果、溫度報警寄存器、crc校驗碼等內容。

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產生復位信號，ds18b20返回響應脈沖。

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，fpga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換，然后通過讀暫存寄存器命令完成溫度轉化的結果。

3．3操作時序

ds18b20的一線式操作時序如圖2所示。從時序圖中可以看出，對ds18b20的操作時序要求比較嚴格。利用fpga可以實現這些操作時序。

4．1 ds18b20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溫度轉換、讀取溫度轉化結果。讀取48位id號和讀取溫度轉換結果過程中，fpga還要實現crc校驗碼的計算，保證通信數據的可靠性。

以上操作反復進行，可以用狀態(tài)機來實現。狀態(tài)機的各種狀態(tài)如下：

reset1：對ds18b20進行第一次復位，然后進入delay狀態(tài)，等待800μs后，進入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進行第二次復位，然后進入delay狀態(tài)等待800μs后，進入cmdcc狀態(tài)。

cmdcc：向ds18b20發(fā)出忽略rom命令，為進入下一狀態(tài)作準備。

cmd44：向ds18b20發(fā)出啟動溫度轉換命令，然后進入delay狀態(tài)等待900ms后進入下一狀態(tài)。

reset3：對ds18b20進行第三次復位。

cmdcc2：向ds18b20發(fā)出忽略rom命令，為了進入下一狀態(tài)作準備。

get_temp：從ds18b20中讀取溫度測量數值。

delay：等待狀態(tài)。

write_bit：向ds18b20中寫入數據位狀態(tài)。

read_bit：從ds18b20中讀取數據位狀態(tài)。在該狀態(tài)中每讀取1位數據，同時完成該數據位的crc校驗計算。所有數據都讀取后，還要讀取8位 crc校驗位。這8位校驗位也經過crc校驗計算，如果通信沒有錯誤，總的crc校驗結果應該是0。這時可將通信正確的數據保存到id和 temp_data寄存器中。

設計中采用verilog語言建立ds18b20操作模塊”ds18b20_proc”。在該模塊中實現以上的狀態(tài)機功能。該模塊的定義為module ds18b20 proc(sysclk，reset，dq_pim，id，temp_data，dq_ctl)。圖3示出是該模塊的仿真波形。

4．2 fpga與cpu的接口

在fpga中，要實現對ds18b20的通信處理，主模塊要實現對ds18b20_proc模塊的調用及建立與cpu之間的接口。

與cpu之間的接口通過建立若干寄存器實現。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值和48位id值。

cpu、fpga及ds18b20的連接原理如圖4所示。

在系統(tǒng)中，fpga可以分擔許多主處理器的工作，提高整體實時性，降低cpu處理的嚴格實時約束，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，可以增強產品知識產權的保護。

本設計應用在電力監(jiān)控產品中。測量出的裝置內部溫度用于電量測量精度補償和報警，對保證產品測量精度和可靠運行具有重要意義。48位id值用于產品的惟一編碼標識和以太網mac地址，便于產品生產、維護和管理。