摘 要:以數字式溫度傳感器DS1820為例,介紹了單總線器件的工作原理,詳細分析了單總線器件的通信時序。微處理器與單總線器件通信時必須關閉中斷,造成系統實時性差。對此提出了采用VHDL語言設計嵌入式單總線控制器的方法。給出了基于VHDL的嵌入式單總線控制器的軟硬件設計及仿真波形。該控制器的功能已在MAX+plusII平臺上仿真實現,能夠產生DS1820的通信時序。
關鍵詞:單總線;DS1820;VHDL;控制器
DS1820是美國DALLAS公司生產的一種單總線(1-wire)數字溫度傳感器,采用1-wire總線通信協議。具有獨特的單總線通信方式以及較高的測量精度,從而獲得了廣泛應用。參考文獻[1]詳細介紹了DS1820的基本原理和通信時序,提出由單片機的I/O端口模擬單總線時序來控制DS1820的方法[1]。參考文獻[2]更進一步地將DS1820測量溫度的分辨率由0.5 ℃提高到了0.1 ℃。將DS1820應用于不同領域,同樣取得了較好的效果[3-5]。上述文獻在使用DS1820時均采用微處理器作為總線主機,利用微處理器的I/O端口,用軟件模擬單總線時序,實現與DS1820的通信。因為1-wire器件對總線時序要求嚴格,因此,為了保證與DS1820的可靠通信,微處理器需要采用關閉中斷的辦法,以防止操作時序被中斷服務所破壞。這種方法增加了軟件的設計難度,影響了系統的實時性[6]。
VHDL作為電子設計主流硬件描述語言,采用了層次化設計方式,具有電路行為描述能力強、靈活、通用、運算速度快的特點,能夠較容易地實現時序邏輯控制[7]。以數字溫度傳感器DS1820為例,設計一個基于VHDL的單總線控制器,實現與DS1820的通信。本文介紹的單總線控制器,有較強的可擴展性,可以連接多種單總線器件,且微處理器可以不用被迫關閉中斷,滿足實時性嚴格要求的應用。
1 DS1820簡介
1.1 DS1820內部結構
DS1820主要由4部分組成:64 bit光刻ROM、溫度敏感器件、高速暫存存儲器和溫度報警觸發器TH、TL。64 bit光刻ROM保存DS1820的唯一64 bit的ROM編碼。高速暫存存儲器包含9個連續的字節,存放測得的溫度(補碼)、TH和TL的拷貝、計數器余值和CRC校驗等數據,其結構如圖1所示。所有數據均以最低有效位在前的方式讀寫。
DS1820可以采用寄生電源的方式供電,在信號線為高電平的時間周期內,把能量儲存在內部電容器中,在信號線為低電平期間,由存儲在電容器內的電荷供電。DS1820工作時信號線須接4.7 kΩ的上拉電阻,以保證信號線有足夠的驅動能力。
1.2 DS1820時序及工作方式
DS1820時序如圖2所示,時序波形的電平分為3種類型:主機作用的高低電平、DS1820輸出的高低電平和由上拉電阻拉起的高電平(后2種情況主機釋放信號線)。DS1820閑置時信號線應保持高電平。對DS1820的任何操作(讀、寫、復位等)都是由主機對信號線由邏輯高電平拉至低電平開始。
由時序圖可知,單總線的通信協議由6種信號類別組成:復位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1。所有這些信號除了存在脈沖之外,均由總線主機產生。
主機通過單總線對DS1820的操作必須首先由ROM操作命令之一開始。現以單總線只掛接一個DS1820,讀取溫度數據為例,其工作過程如下:
(1)主機產生復位脈沖,DS1820返回響應脈沖;
(2)主機寫入Skip ROM(CCH,跳過ROM)命令,該命令為5種ROM操作命令之一;
(3)主機寫入溫度轉換(44H)命令;
(4)主機再次產生復位脈沖,DS1820返回響應脈沖;
(5)主機寫入Skip ROM(CCH,跳過ROM)命令;
(6)主機寫入讀暫存存儲器命令(BEH);
(7)讀暫存存儲器的溫度數據。
2 控制器設計
2.1 控制器結構
控制器結構如圖3所示,控制器由4部分組成,即邏輯控制、單總線時序控制、數據緩存和計數器。邏輯控制部分用于實現與CPU的通信,D0~D7為8位雙向數據線,EN為啟動信號,下降沿有效。A1、A0為地址信號,其組合決定控制器的工作狀態。A1A0=00,控制器對DS1820執行復位操作;A1A0=01,控制器執行寫入操作;A1A0=10,控制器執行讀出操作。控制器由外部提供200 kHz的時鐘信號CLK,產生5 μs的計數周期,控制器以5 μs為一個時間片形成DS1820的讀寫時序。計數器的計數輸出值控制讀寫周期。單總線時序控制部分的主要功能是產生單總線的讀寫時序,并向DS1820輸出控制命令,讀出DS1820測得的數字溫度值及其他輸出信息。
2.2 讀寫時序的實現
DS1820要求引腳驅動必須是漏極開路引腳,控制器用三態門與DS1820連接,如圖4所示。其中ctrl為三態門控制信號,當ctrl=0時輸出信號,ctrl=1時輸入信號。控制器采用5 μs作為基本計時單位,可以保證DS1820時序關系有一定的余地。
寫字節部分VHDL代碼:
PROCESS(cq)—輸出1 bit
SIGNAL cout:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);
VARIABLE di:STD_LOGIC;
BEGIN
ctrl<=‘0’;
IF(cq>=“0000” AND cq<=“0010”)THEN
di:=‘0’;——拉低輸出電位10 ms
ELSIF(cq>“0010”AND cq<“1110”)THEN
di:=rq; ——取發送移位寄存器的輸出位
ELSIF(cq>=“1110”)THEN
di:=‘1’;cout<=cout + 1;
END IF;
dqo<=di;
END PROCESS;
PROCESS(cout) —計數
SIGNAL f:STD_LOGIC;
IF cout=“111” THEN
f<=‘0’;—8位輸出結束,停止計時
ELSE f<=‘1’;
END IF;
END PROCESS;
3 仿真波形
控制器的VHDL程序在MAX+plusII平臺編譯通過,并獲得了正確的復位、讀、寫時序。圖5為寫時序波形,寫入77H字節。每次寫入新的bit前,控制器將總線電平拉底10 μs。
基于VHDL的嵌入式DS1820控制器,具有轉換速度快、精度高、通用性好等優點。同時,嵌入軟核的FPGA可以分擔許多微處理器的工作,降低系統對CPU實時性的要求,也降低了軟件開發的難度。本文雖然是針對DS1820設計的控制器,但由于單總線通信協議的通用性,也可以用于其他單總線器件。
參考文獻
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[5] 張令.溫室群的溫度自動測試系統[J].邯鄲職業技術學院學報,2003,16(4): 65-68.
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[7] 袁偉亭,周潤景.FPGA與DS18B20組成的測溫系統設計[J].內蒙古大學學報(自然科學版),2006,37(4): 459-463.