田野

摘 要：本文提出了一種基于FPGA的單總線多點(diǎn)測(cè)溫的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，只需3根線就能完成幾十個(gè)甚至上百個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量，與通常單線單點(diǎn)測(cè)溫相比，具有線路簡(jiǎn)單、占用資源少、擴(kuò)展維護(hù)方便等特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證：基于FPGA的1-wire多點(diǎn)測(cè)溫設(shè)計(jì)方案是可行的，已成功實(shí)現(xiàn)單總線8個(gè)溫度點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)量，并試驗(yàn)樣機(jī)工作穩(wěn)定可靠，此設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、民用生產(chǎn)、軍工設(shè)備等設(shè)施的多點(diǎn)溫度檢測(cè)與控制等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)慰偩€ DS18B2 0FPGA 單點(diǎn)測(cè)溫 多點(diǎn)測(cè)溫

中圖分類(lèi)號(hào)：TP271.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（b）-0006-02

1-wire單總線技術(shù)，即一根線既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，在微功耗的運(yùn)用下還能做寄生供電的電源使用，是目前結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、成本低廉且便于擴(kuò)展維護(hù)的一種數(shù)據(jù)傳輸方式。這種技術(shù)具有線路簡(jiǎn)單、硬件開(kāi)銷(xiāo)少等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、民用生產(chǎn)、軍工設(shè)備等設(shè)施的溫度檢測(cè)與控制[1]。

單總線技術(shù)是MAXIM全資子公司DALLAS的一項(xiàng)專(zhuān)有技術(shù)，與目前多種串行數(shù)據(jù)通訊方式（SPI/IIC）不同，它采用單根信號(hào)線。目前常用的單總線器件很多，涉及到溫度傳感器、EEPROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等很多種類(lèi)，市場(chǎng)上運(yùn)用最為廣泛的芯片之一就溫度傳感器DS18B20。

1 單總線溫度測(cè)量原理

在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要用到溫度的檢測(cè)及控制，傳統(tǒng)的測(cè)溫元器件有熱電偶、熱電阻、而它們測(cè)出的信號(hào)一般都是電壓信號(hào)，需要外部硬件電路支持，把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)便于顯示和控制。本文為了低成本和工程化設(shè)計(jì)，采用溫度傳感器DS18B20通過(guò)FPGA的IO口直接獲取溫度數(shù)字量信號(hào)，這種單總線數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)，具有抗干擾性高、可靠度高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。

DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器芯片，采用3引腳TO-92小體積封裝和8腳SOIC封裝，測(cè)量溫度范圍-55℃～125℃，具有9～12位AD轉(zhuǎn)換精度，最小溫度分辨率可達(dá)0.0625℃，以16位補(bǔ)碼方式串行輸出所測(cè)量的溫度值。

2 方案設(shè)計(jì)

DS18B20供電方式分為：內(nèi)部寄生電源和外部電源兩種形式，在連接方式上分為單片連接和多片連接，前者形成單點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)，后者構(gòu)成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)[2]。

2.1 單點(diǎn)測(cè)溫硬件設(shè)計(jì)

DS18B20工作在寄生電源模式下時(shí)，從信號(hào)線DQ上汲取能量，DQ高電平時(shí)DS18B20吸收能量至內(nèi)部電容，DQ低電平時(shí)利用內(nèi)部電容的能量工作，從而實(shí)現(xiàn)在不需要本地電源的情況下遠(yuǎn)程測(cè)溫；其電路連接如圖1所示。

2.2 多點(diǎn)測(cè)溫硬件設(shè)計(jì)

DS18B20工作在外供電源模式下，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根線上，此時(shí)FPGA只需一根端口線就可以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)DS18B20傳感器的通訊，這樣只占用微處理器的一個(gè)IO端口，就可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)[3]。

DS18B20有一個(gè)存儲(chǔ)于ROM中激光刻制的64位序列號(hào)，是該DS18B20地址序列碼，每個(gè)DS18B20序列碼均不相同。64位長(zhǎng)的唯一ROM碼中，開(kāi)始8位（28H）是產(chǎn)品類(lèi)型

標(biāo)識(shí)號(hào)，作為單總線器件識(shí)別碼，接下來(lái)48位是器件唯一序列號(hào)，最后八位是前56位的CRC校驗(yàn)碼。ROM中序列碼的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20。當(dāng)有許多單總線器件連接在同一總線上時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)序列號(hào)將需要訪問(wèn)的器件挑出來(lái)，一旦知道每個(gè)器件的地址，就可以利用該地址選擇相應(yīng)器件進(jìn)行通訊。三線制電路連接如圖2所示。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件基于FPGA采用Verilog編寫(xiě)，主要完成DS18B20初始化、寫(xiě)時(shí)序操作、讀時(shí)序操作、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

2.3.1 復(fù)位時(shí)序

DS18B20工作時(shí)，首先FPGA控制總線DQ將DS18B20復(fù)位，然后才能執(zhí)行其他命令。復(fù)位時(shí)，F(xiàn)PGA將總線拉為低電平并保持616μs，然后釋放總線；DS18B20檢測(cè)到復(fù)位低電平后，立即響應(yīng)復(fù)位命令，控制總線并拉高75μs；至此，完成復(fù)位操作。

2.3.2 寫(xiě)時(shí)序

FPGA控制DS18B20總線，執(zhí)行寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序時(shí)，先將總線DQ置為低電平，保持時(shí)間5μs；DS18B20在數(shù)據(jù)線變成低電平后15～60μs內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。因此，F(xiàn)PGA根據(jù)寫(xiě)數(shù)據(jù)的內(nèi)容“1”或者“0”將總線DQ相應(yīng)拉低5μs或拉低75μs，然后釋放總線，完成一個(gè)比特位寫(xiě)時(shí)序的操作；依次類(lèi)似完成其他比特位寫(xiě)時(shí)序的操作。

2.3.3 讀時(shí)序

FPGA讀取DS18B20溫度數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)總線DQ置為低電平，保持時(shí)間8μs，然后釋放數(shù)據(jù)總線；DS18B20控制總線，在數(shù)據(jù)線從高電平變?yōu)榈碗娖降?2μs內(nèi)將一個(gè)比特位數(shù)據(jù)送到總線DQ上；因此，F(xiàn)PGA根據(jù)時(shí)序在釋放總線4μs后讀取總線數(shù)據(jù)，完成第一個(gè)比特位的采樣；

2.3.4 溫度數(shù)據(jù)格式

DS18B20中有兩個(gè)高速暫存器，存放16位二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)，高5位是符號(hào)位，其余11位是數(shù)據(jù)位；如果溫度大于0℃，符號(hào)位為0，取得暫存器里面數(shù)值乘以0.0625，即實(shí)際溫度值；如果溫度小于0℃，符號(hào)位為1，取得暫存器里面數(shù)值取反加1，再乘以0.0625即實(shí)際溫度值，如表1所示。

2.3.5 程序流程

FPGA對(duì)DS18B20的操作流程：先對(duì)DS18B20初始化，然后發(fā)操作指令，最后對(duì)高速暫存器操作。單總線模式下DS18B20每一步操作都需遵循嚴(yán)格的時(shí)序和通訊協(xié)議。程序流程如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)樣機(jī)驗(yàn)證：基于FPGA的1-wire多點(diǎn)測(cè)溫設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)8個(gè)溫度點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)量，樣機(jī)工作穩(wěn)定可靠，測(cè)量分辨率達(dá)0.062℃，并在所內(nèi)多個(gè)慣導(dǎo)及導(dǎo)航型號(hào)產(chǎn)品中得到驗(yàn)證。

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用3根并聯(lián)在一起，占用資源少，擴(kuò)展維護(hù)方便，支持多達(dá)上百個(gè)多點(diǎn)溫度測(cè)量，具有抗干擾性高、可靠度高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，適用于工業(yè)生產(chǎn)、民用生產(chǎn)、軍工設(shè)備等設(shè)施的多點(diǎn)溫度測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 余瑾，姚燕.基于DS18B20測(cè)溫的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009（8）：105-106.

[2] 陳勇，許亮，許海闊，等.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（2）：77-79.

[3] 王劍飛，程耀瑜，王鵬，等.基于FPGA和DSP的多路信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2013，37（23）：57-60.