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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。 |
