基于VHDL的嵌入式單總線控制器設(shè)計(jì)

　　DS1820是美國(guó)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(dú)特的單總線通信方式以及較高的測(cè)量精度，從而獲得了廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]詳細(xì)介紹了DS1820的基本原理和通信時(shí)序，提出由單片機(jī)的I/O端口模擬單總線時(shí)序來(lái)控制DS1820的方法[1]。參考文獻(xiàn)[2]更進(jìn)一步地將DS1820測(cè)量溫度的分辨率由0.5 ℃提高到了0.1 ℃。將DS1820應(yīng)用于不同領(lǐng)域，同樣取得了較好的效果[3-5]。上述文獻(xiàn)在使用DS1820時(shí)均采用微處理器作為總線主機(jī)，利用微處理器的I/O端口，用軟件模擬單總線時(shí)序，實(shí)現(xiàn)與DS1820的通信。因?yàn)?-wire器件對(duì)總線時(shí)序要求嚴(yán)格，因此，為了保證與DS1820的可靠通信，微處理器需要采用關(guān)閉中斷的辦法，以防止操作時(shí)序被中斷服務(wù)所破壞。這種方法增加了軟件的設(shè)計(jì)難度，影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[6]。

　　VHDL作為電子設(shè)計(jì)主流硬件描述語(yǔ)言，采用了層次化設(shè)計(jì)方式，具有電路行為描述能力強(qiáng)、靈活、通用、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，能夠較容易地實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯控制[7]。以數(shù)字溫度傳感器DS1820為例，設(shè)計(jì)一個(gè)基于VHDL的單總線控制器，實(shí)現(xiàn)與DS1820的通信。本文介紹的單總線控制器，有較強(qiáng)的可擴(kuò)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(guān)閉中斷，滿足實(shí)時(shí)性嚴(yán)格要求的應(yīng)用。

　　1 DS1820簡(jiǎn)介

　　1.1 DS1820內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　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(chǔ)器和溫度報(bào)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(chǔ)器包含9個(gè)連續(xù)的字節(jié)，存放測(cè)得的溫度(補(bǔ)碼)、TH和TL的拷貝、計(jì)數(shù)器余值和CRC校驗(yàn)等數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)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(xiě)。

　　DS1820可以采用寄生電源的方式供電，在信號(hào)線為高電平的時(shí)間周期內(nèi)，把能量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部電容器中，在信號(hào)線為低電平期間，由存儲(chǔ)在電容器內(nèi)的電荷供電。DS1820工作時(shí)信號(hào)線須接4.7 kΩ的上拉電阻，以保證信號(hào)線有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

　　1.2 DS1820時(shí)序及工作方式

　　DS1820時(shí)序如圖2所示，時(shí)序波形的電平分為3種類型：主機(jī)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(jī)釋放信號(hào)線)。DS1820閑置時(shí)信號(hào)線應(yīng)保持高電平。對(duì)DS1820的任何操作(讀、寫(xiě)、復(fù)位等)都是由主機(jī)對(duì)信號(hào)線由邏輯高電平拉至低電平開(kāi)始。

　　由時(shí)序圖可知，單總線的通信協(xié)議由6種信號(hào)類別組成：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0、讀1。所有這些信號(hào)除了存在脈沖之外，均由總線主機(jī)產(chǎn)生。

　　主機(jī)通過(guò)單總線對(duì)DS1820的操作必須首先由ROM操作命令之一開(kāi)始?，F(xiàn)以單總線只掛接一個(gè)DS1820，讀取溫度數(shù)據(jù)為例，其工作過(guò)程如下：

　　(1)主機(jī)產(chǎn)生復(fù)位脈沖，DS1820返回響應(yīng)脈沖；

　　(2)主機(jī)寫(xiě)入Skip ROM(CCH，跳過(guò)ROM)命令，該命令為5種ROM操作命令之一；

　　(3)主機(jī)寫(xiě)入溫度轉(zhuǎn)換(44H)命令；

　　(4)主機(jī)再次產(chǎn)生復(fù)位脈沖，DS1820返回響應(yīng)脈沖；

　　(5)主機(jī)寫(xiě)入Skip ROM(CCH，跳過(guò)ROM)命令；

　　(6)主機(jī)寫(xiě)入讀暫存存儲(chǔ)器命令(BEH);

　　(7)讀暫存存儲(chǔ)器的溫度數(shù)據(jù)。

　　2 控制器設(shè)計(jì)

　　2.1 控制器結(jié)構(gòu)

　　控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制器由4部分組成，即邏輯控制、單總線時(shí)序控制、數(shù)據(jù)緩存和計(jì)數(shù)器。邏輯控制部分用于實(shí)現(xiàn)與CPU的通信，D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，EN為啟動(dòng)信號(hào)，下降沿有效。A1、A0為地址信號(hào)，其組合決定控制器的工作狀態(tài)。A1A0=00，控制器對(duì)DS1820執(zhí)行復(fù)位操作；A1A0＝01，控制器執(zhí)行寫(xiě)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(shí)鐘信號(hào)CLK，產(chǎn)生5 μs的計(jì)數(shù)周期，控制器以5 μs為一個(gè)時(shí)間片形成DS1820的讀寫(xiě)時(shí)序。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸出值控制讀寫(xiě)周期。單總線時(shí)序控制部分的主要功能是產(chǎn)生單總線的讀寫(xiě)時(shí)序，并向DS1820輸出控制命令，讀出DS1820測(cè)得的數(shù)字溫度值及其他輸出信息。

　　2.2 讀寫(xiě)時(shí)序的實(shí)現(xiàn)

　　DS1820要求引腳驅(qū)動(dòng)必須是漏極開(kāi)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(hào)，當(dāng)ctrl=0時(shí)輸出信號(hào)，ctrl=1時(shí)輸入信號(hào)。控制器采用5 μs作為基本計(jì)時(shí)單位，可以保證DS1820時(shí)序關(guān)系有一定的余地。

　　寫(xiě)字節(jié)部分VHDL代碼：

　　3 仿真波形

　　控制器的VHDL程序在MAX+plusII平臺(tái)編譯通過(guò)，并獲得了正確的復(fù)位、讀、寫(xiě)時(shí)序。圖5為寫(xiě)時(shí)序波形，寫(xiě)入77H字節(jié)。每次寫(xiě)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(diǎn)。同時(shí)，嵌入軟核的FPGA可以分擔(dān)許多微處理器的工作，降低系統(tǒng)對(duì)CPU實(shí)時(shí)性的要求，也降低了軟件開(kāi)發(fā)的難度。本文雖然是針對(duì)DS1820設(shè)計(jì)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。