FPGA与DSl8820型温度传感器通信的实现

l 引言

ds18b20是dallas公司生产的一线式数字温度传感器，采用3引脚t0-92型小体积封装；温度测量范围为-55℃～+125~c，可编程为9位～12位a/d转换精度，测温分辨率可达0．0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。

一线式(1-wire)串行总线是利用1条信号线就可以与总线上若干器件进行通信。具体应用中可以利用微处理器的i/o端口对ds18b20直接进行通信，也可以通过现场可编程门阵列(fpga)等可编程逻辑器件(pld)实现对1-wire器件的通信。

本文介绍利用actel公司的proasicplus系列fpga实现与ds18b20的通信功能。fpga可以将读出ds18b20的48位id号和12位温度测量结果保存在内部寄存器中，微处理器可以随时快速地从fpga寄存器中读取这些信息。

一般在使用ds18b20时往往采用微处理器的i/o端口实现与该器件的通信，这种方法虽然比较容易和方便，但是，因为ds18b20的一线式串行总线对时序要求比较严格，因此，为了保证与ds18b20的通信可靠性，微处理器与ds18b20通信时需要采用关闭中断的办法，以防止操作时序被中断服务破坏。

利用fpga实现与。ds18b20通信不存在被迫关闭中断的情况，可以满足对实时性要求严格的应用要求。

2 proasicplus系列fpga简介

proasicplus系列fpga是actel公司推出的基于flash开关编程技术的现场可编程门阵列，包括从7．5万门的apa075型到100万门的apal000型，具有高密度、低功耗、非易失、含有嵌入式ram及可重复编程等特点。

因为proasicplus系列fpga基于flash技术，利用flash开关保存内部逻辑，因此不需要另外的器件。由于不需要上电配置过程，因此具备上电就立即工作的特点。不用配置器件，系统的保密性提高。

笔者在电力监控的产品中利用apa150型fpga实现了逻辑控制、a/d采样控制和fifo存储等功能，并利用剩余的资源实现了ds18b20的通信功能。apa150在整个系统中充当协处理器，使主cpu从繁重的实时处理中解脱出来。

3 ds18b20简介

3．1内部结构

ds18b20的内部结构如图1所示，主要由以下几部分组成：64位rom、温度传感器、非挥发的温度报警触发器th(温度高)和tl(温度低)、配置寄存器、暂存寄存器(scratchpad)、存储器控制逻辑。dq为数字信号输入/输出端。

8位crc生成器可以完成通信时的校验。

暂存寄存器有9个字节，包含温度测量结果、温度报警寄存器、crc校验码等内容。

3．2操作步骤

对ds18b20的操作分为3个步骤：初始化、rom命令和ds18b20功能命令。

3．2．1初始化

fpga要与ds18b20通信，首先必须完成初始化。fpga产生复位信号，ds18b20返回响应脉冲。

3．2．2rom命令

该步骤完成fpga与总线上的某一具体ds18b20建立联系。rom命令有搜寻rom(search rom)、读rom(read rom)、匹配rom(match rom)、忽略rom(skip rom)、报警查找等命令(alarm search)。

这里，fpga只连接1个ds18b20，因此只使用读rom命令，来读取ds18b20的48位id号。

3．2．3 ds18b20功能命令

fpga 在该步骤中完成温度转换(convertt)、写暂存寄存器(write scratchpad)、读暂存寄存器(read scratchpad)、拷贝暂存寄存器(copyscratchpad)、装载暂存器寄存器(recall e2)、读供电模式命令(read power supply)。

文中不用温度报警功能，因此在本步骤中只需完成温度转换，然后通过读暂存寄存器命令完成温度转化的结果。

3．3操作时序

ds18b20的一线式操作时序如图2所示。从时序图中可以看出，对ds18b20的操作时序要求比较严格。利用fpga可以实现这些操作时序。

4．1 ds18b20的操作模块

fpga需要完成ds18b20的初始化、读取ds18b20的48位id号、启动ds18b20温度转换、读取温度转化结果。读取48位id号和读取温度转换结果过程中，fpga还要实现crc校验码的计算，保证通信数据的可靠性。

以上操作反复进行，可以用状态机来实现。状态机的各种状态如下：

reset1：对ds18b20进行第一次复位，然后进入delay状态，等待800μs后，进入cmd33状态。

cmd33：对ds18b20发出0×33命令，读取48位id值。

get_id：从ds18b20中读取48位id值。

reset2：对ds18b20进行第二次复位，然后进入delay状态等待800μs后，进入cmdcc状态。

cmdcc：向ds18b20发出忽略rom命令，为进入下一状态作准备。

cmd44：向ds18b20发出启动温度转换命令，然后进入delay状态等待900ms后进入下一状态。

reset3：对ds18b20进行第三次复位。

cmdcc2：向ds18b20发出忽略rom命令，为了进入下一状态作准备。

get_temp：从ds18b20中读取温度测量数值。

delay：等待状态。

write_bit：向ds18b20中写入数据位状态。

read_bit：从ds18b20中读取数据位状态。在该状态中每读取1位数据，同时完成该数据位的crc校验计算。所有数据都读取后，还要读取8位 crc校验位。这8位校验位也经过crc校验计算，如果通信没有错误，总的crc校验结果应该是0。这时可将通信正确的数据保存到id和 temp_data寄存器中。

设计中采用verilog语言建立ds18b20操作模块”ds18b20_proc”。在该模块中实现以上的状态机功能。该模块的定义为module ds18b20 proc(sysclk，reset，dq_pim，id，temp_data，dq_ctl)。图3示出是该模块的仿真波形。

4．2 fpga与cpu的接口

在fpga中，要实现对ds18b20的通信处理，主模块要实现对ds18b20_proc模块的调用及建立与cpu之间的接口。

与cpu之间的接口通过建立若干寄存器实现。温度测量值和48位id可以用4个16位寄存器保存。cpu通过读取这些寄存器可以获得温度测量数值和48位id值。

cpu、fpga及ds18b20的连接原理如图4所示。

在系统中，fpga可以分担许多主处理器的工作，提高整体实时性，降低cpu处理的严格实时约束，从而降低cpu软件处理的难度。同时，由于actel公司的proasicplus系列fpga的保密特性，可以增强产品知识产权的保护。

本设计应用在电力监控产品中。测量出的装置内部温度用于电量测量精度补偿和报警，对保证产品测量精度和可靠运行具有重要意义。48位id值用于产品的惟一编码标识和以太网mac地址，便于产品生产、维护和管理。