FPGA與DSl8820型溫度傳感器通信的實現

摘要：介紹利用ACTEL公司的APA150型現場可編程門陣列(FPGA)實現對DS18B20型溫度傳感器的通信控制，使CPU可以方便地從FPGA中讀取溫度測量結果和DS18B20的48位ID值。
關鍵詞：現場可編程門陣列(FPGA)；溫度傳感器(DS18B20)；1-WIRE；Verilog；通信
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，系統的保密性提高。
　　筆者在電力監控的產品中利用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在整個系統中充當協處理器，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、非揮發的溫度報警觸發器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。

　ROM中的64(8位產品家族編號、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。
　暫存寄存器有9個字節，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 FPGA與DS18B20的通信
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，可以用狀態機來實現。狀態機的各種狀態如下：
　RESET1：對DS18B20進行第一次復位，然后進入DELAY狀態，等待800μs后，進入CMD33狀態。
　CMD33：對DS18B20發出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狀態等待800μs后，進入CMDCC狀態。
　CMDCC：向DS18B20發出忽略ROM命令，為進入下一狀態作準備。
　CMD44：向DS18B20發出啟動溫度轉換命令，然后進入DELAY狀態等待900ms后進入下一狀態。
　RESET3：對DS18B20進行第三次復位。
　CMDCC2：向DS18B20發出忽略ROM命令，為了進入下一狀態作準備。
　GET_TEMP：從DS18B20中讀取溫度測量數值。
　DELAY：等待狀態。
　WRITE_BIT：向DS18B20中寫入數據位狀態。
　READ_BIT：從DS18B20中讀取數據位狀態。在該狀態中每讀取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。

　從仿真波形可以看出，系統上電后的10ms左右，FPGA可以讀出DS18B20的48位ID值，這樣，主CPU在系統復位后很短的時間內就可以讀取ID值，進行相應的處理。
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。

5 結束語
　在系統中，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。