摘 要：以數(shù)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(tǒng)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(xiàn)，能夠產(chǎn)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(chǎn)的一種單總線(1-wire)數(shù)字溫度傳感器，采用1-wire總線通信協(xié)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)時序邏輯控制[7]。以數(shù)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(xiàn)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(nèi)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(fā)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(xù)的字節(jié)，存放測得的溫度(補碼)、TH和TL的拷貝、計數(shù)器余值和CRC校驗等數(shù)據(jù)，其結構如圖1所示。所有數(shù)據(jù)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(nèi)，把能量儲存在內(nèi)部電容器中，在信號線為低電平期間，由存儲在電容器內(nèi)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(qū)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(xié)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(chǎn)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?，F(xiàn)以單總線只掛接一個DS1820，讀取溫度數(shù)據(jù)為例，其工作過程如下：
    (1)主機產(chǎn)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(zhuǎn)換(44H)命令；
    (4)主機再次產(chǎn)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(shù)據(jù)。
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(shù)據(jù)緩存和計數(shù)器。邏輯控制部分用于實現(xiàn)與CPU的通信，D₀～D₇為8位雙向數(shù)據(jù)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(tài)。A₁A₀=00，控制器對DS1820執(zhí)行復位操作；A₁A₀＝01，控制器執(zhí)行寫入操作；A₁A₀=10，控制器執(zhí)行讀出操作?？刂破饔赏獠刻峁?00 kHz的時鐘信號CLK，產(chǎn)生5 μs的計數(shù)周期，控制器以5 μs為一個時間片形成DS1820的讀寫時序。計數(shù)器的計數(shù)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(chǎn)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(shù)字溫度值及其他輸出信息。

2.2 讀寫時序的實現(xiàn)
    DS1820要求引腳驅(qū)動必須是漏極開路引腳，控制器用三態(tài)門與DS1820連接，如圖4所示。其中ctrl為三態(tài)門控制信號，當ctrl=0時輸出信號，ctrl=1時輸入信號?？刂破鞑捎? 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(jié)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(fā)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(shù)
    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(jié)。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(zhuǎn)換速度快、精度高、通用性好等優(yōu)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(tǒng)對CPU實時性的要求，也降低了軟件開發(fā)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(xié)議的通用性，也可以用于其他單總線器件。
參考文獻
[1] 王成江，王安敏，張玉華.單總線數(shù)字溫度傳感器原理及應用[J].半導體技術，2003，28(2): 68-70.
[2] 薛智宏，趙金，解麗紅.DS1820的測量原理及提高分辨率的方法[J].河北工業(yè)科技，2002，19(6): 4-7.
[3] 許勇.DS1820在網(wǎng)絡中心機房溫控中的應用[J].電腦開發(fā)與應用，2001，14(9): 424-425.
[4] 陳善富，王榮亮.DS1820與PIC12C5XX系列微控制器應用于火災感溫測控器[J].計算機與現(xiàn)代化，2000，70(6): 111-114.
[5] 張令.溫室群的溫度自動測試系統(tǒng)[J].邯鄲職業(yè)技術學院學報，2003，16(4): 65-68.
[6] 李農(nóng).FPGA與DS18B20型溫度傳感器通信的實現(xiàn)[J].國外電子元器件.2006，2(2): 48-51.
[7] 袁偉亭，周潤景.FPGA與DS18B20組成的測溫系統(tǒng)設計[J].內(nèi)蒙古大學學報(自然科學版)，2006，37(4): 459-463.