FPGA與DS18B20型溫度傳感器通信的實現

DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，采用3引腳TO-92型小體積封裝；溫度測量范圍為-55℃～+125℃，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 

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