基于VHDL的嵌入式單總線(xiàn)控制器設計

　　DS1820是美國DALLAS公司生產(chǎn)的一種單總線(xiàn)(1-wire)數字溫度傳感器，采用1-wire總線(xiàn)通信協(xié)議。具有獨特的單總線(xiàn)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(shí)序，提出由單片機的I/O端口模擬單總線(xiàn)時(shí)序來(lái)控制DS1820的方法[1]。參考文獻[2]更進(jìn)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(lǐng)域，同樣取得了較好的效果[3-5]。上述文獻在使用DS1820時(shí)均采用微處理器作為總線(xiàn)主機，利用微處理器的I/O端口，用軟件模擬單總線(xiàn)時(shí)序，實(shí)現與DS1820的通信。因為1-wire器件對總線(xiàn)時(shí)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(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計難度，影響了系統的實(shí)時(shí)性[6]。

　　VHDL作為電子設計主流硬件描述語(yǔ)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(diǎn)，能夠較容易地實(shí)現時(shí)序邏輯控制[7]。以數字溫度傳感器DS1820為例，設計一個(gè)基于VHDL的單總線(xiàn)控制器，實(shí)現與DS1820的通信。本文介紹的單總線(xiàn)控制器，有較強的可擴展性，可以連接多種單總線(xiàn)器件，且微處理器可以不用被迫關(guān)閉中斷，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性嚴格要求的應用。

　　1 DS1820簡(jiǎn)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(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(gè)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(xiě)。

　　DS1820可以采用寄生電源的方式供電，在信號線(xiàn)為高電平的時(shí)間周期內，把能量?jì)Υ嬖趦炔侩娙萜髦?，在信號線(xiàn)為低電平期間，由存儲在電容器內的電荷供電。DS1820工作時(shí)信號線(xiàn)須接4.7 kΩ的上拉電阻，以保證信號線(xiàn)有足夠的驅動(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(lèi)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(xiàn))。DS1820閑置時(shí)信號線(xiàn)應保持高電平。對DS1820的任何操作(讀、寫(xiě)、復位等)都是由主機對信號線(xiàn)由邏輯高電平拉至低電平開(kāi)始。

　　由時(shí)序圖可知，單總線(xiàn)的通信協(xié)議由6種信號類(lèi)別組成：復位脈沖、存在脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0、讀1。所有這些信號除了存在脈沖之外，均由總線(xiàn)主機產(chǎn)生。

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

　　(1)主機產(chǎn)生復位脈沖，DS1820返回響應脈沖；

　　(2)主機寫(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)主機寫(xiě)入溫度轉換(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(xiě)入Skip ROM(CCH，跳過(guò)ROM)命令；

　　(6)主機寫(xiě)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(xiàn)時(shí)序控制、數據緩存和計數器。邏輯控制部分用于實(shí)現與CPU的通信，D0～D7為8位雙向數據線(xiàn)，EN為啟動(dòng)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執行復位操作；A1A0＝01，控制器執行寫(xiě)入操作；A1A0=10，控制器執行讀出操作?？刂破饔赏獠刻峁?00 kHz的時(shí)鐘信號CLK，產(chǎn)生5 μs的計數周期，控制器以5 μs為一個(gè)時(shí)間片形成DS1820的讀寫(xiě)時(shí)序。計數器的計數輸出值控制讀寫(xiě)周期。單總線(xiàn)時(shí)序控制部分的主要功能是產(chǎn)生單總線(xiàn)的讀寫(xiě)時(shí)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(xiě)時(shí)序的實(shí)現

　　DS1820要求引腳驅動(dòng)必須是漏極開(kāi)路引腳，控制器用三態(tài)門(mén)與DS1820連接，如圖4所示。其中ctrl為三態(tài)門(mén)控制信號，當ctrl=0時(shí)輸出信號，ctrl=1時(shí)輸入信號?？刂破鞑捎? μs作為基本計時(shí)單位，可以保證DS1820時(shí)序關(guān)系有一定的余地。

　　寫(xiě)字節部分VHDL代碼：

　　3 仿真波形

　　控制器的VHDL程序在MAX+plusII平臺編譯通過(guò)，并獲得了正確的復位、讀、寫(xiě)時(shí)序。圖5為寫(xiě)時(shí)序波形，寫(xiě)入77H字節。每次寫(xiě)入新的bit前，控制器將總線(xiàn)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(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，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(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DS1820設計的控制器，但由于單總線(xiàn)通信協(xié)議的通用性，也可以用于其他單總線(xiàn)器件。