基于可編程SOC的多節點星上溫度采集系統設計

譚竹慧，李華旺，常亮，周華

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 上?！?00050；2.上海微小衛星工程中心 上海　200120）

基于可編程SOC的多節點星上溫度采集系統設計

譚竹慧1，李華旺2，常亮2，周華2

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 上海200050；2.上海微小衛星工程中心 上海200120）

文中介紹了利用高集成度片上系統SOC型FPGA芯片SmartFusion2和高精度溫度傳感芯片DS18B20設計的星上溫度采集系統。本方案中FPGA僅需一個I/O接口，采用一根數據線與多個DS18B20芯片連接，極大程度降低了FPGA接口資源使用率。同時，采用FPGA芯片進行設計能減少星務軟件工作量，提升整體CPU處理性能，在實時約束方面，采用FPGA還能提高整體實時性，降低CPU處理的嚴格約束。

FPGA；DS18B20；一線網；SmartFusion2

熱控分系統是衛星的各個分系統的重要組成部分，它使星內溫度保持在一定范圍內，為衛星提供穩定的溫度環境。星載計算機通過分析各個分系統傳回的實時溫度數據，計算各元件功耗和散熱，檢測各系統運行狀態。根據衛星在陰影區和光照區的光照強度以及飛行任務規定的衛星姿態要求，合理分配能源，控制熱管工作，調節星內熱量分配，保證恒定的星內溫度范圍［1-2］。

一般來說，地面設備配備的溫度采集系統多采用熱電阻、熱電偶等傳感器元件，但衛星所處的空間環境惡劣，器件易受到宇宙射線的影響［3］。文中的設計基于某微納衛星項目，微納衛星體積小，集成度高，資源有限，應選擇更為可靠和簡單方便的溫度感應器件。DS18B20是美國DALLAS公司推出的一款單總線溫度傳感器，它特有的一線網串行通信總線能極大地減少接口使用，提升資源利用率，降低成本，同時DS18B20采用工業級芯片，價格低廉，采購渠道廣，功耗低。該芯片已經在一些科學探測衛星有效載荷中使用，可靠性也大大優于傳統傳感器元件［4-5］。因此可用DS18B20溫度傳感器完成星內的溫度量采集。FPGA作為一種高密度可編程邏輯器件，既有PLD可編程的靈活性，又有GA（掩膜門陣列）的高集成度和通用性。本文采用FPGA作為DS18B20溫度采集系統的控制器，相比與傳統的單片機控制器，在整體性和實時性上有大幅度提高。

1　系統方案設計

自上個世紀90年代以來，SOC技術在電子系統領域快速發展，它具有功耗低，體積小，集成度高，速度快，系統功能豐富等優點。文中采用Microsemi公司生產的SmartFusion2系列SOC型FPGA芯片作為星載計算機平臺，該芯片以高性能大容量FLASH架構的FPGA為核心，利用內嵌的Arm Cortex-M3硬核處理器及完善的SOPC設計技術，將模擬信號轉換、數字信號處理以及靈活的接口設置集成到單一芯片中，能滿足星載計算機的功能需求。使用FPGA來實現DS18B20控制器不僅可以減少接口的使用，還能分擔主處理器的工作，節約CPU資源，減少星務軟件的工作量［6-7］。同時，工業級SmartFusion2在價格和性能上對比與于傳統的星上處理器都有絕對優勢，且具備高可靠性和單事件翻轉免疫能力，可廣泛用于國防和航空領域。SmartFusion2的性能符合未來衛星領域的發展趨勢。

該星載計算機采用SmartFusion2完成遙控遙測，AD采樣，模擬量輸入輸出，實時時鐘，串口通信等多種功能，利用剩余的資源完成 DS18B20星上系統的溫度采集功能。DS18B20的供電范圍是3～5.5 V，SmartFusion2的輸出電壓是3.3 V，能夠支持18B20正常工作，因此可以使用SmartFusion2的管腳直接驅動DS18B20。

多節點SmartFusion2與DS18B20一線網總線的硬件連接圖如圖1。DS18B20芯片只有3個引腳，VDD引腳可直接接3.3 V穩壓電源，中間為數據引腳，負責DS18B20的數據傳輸，GND管腳接地。多個DS18B20可通過數據引腳連接在一起，再與SmartFusion2相連。為使總線被釋放時為高電平，總線需接6.8 kΩ的上拉電阻。

圖1　硬件連接圖

2　DS18B20介紹

2.1DS18B20的內部寄存器

DS18B20自帶9字節的暫存器，分別為：用于存放轉換后的溫度值的溫度暫存器，2字節；溫度報警觸發器TH和TL，2字節；用于調整測量精度的配置寄存器，1字節；后3個字節為保留字節，最后一個字節為CRC校驗。其中TH、TL和配置寄存器為非易失的EEPROM。

2.2DS18B20的操作流程

DS18B20的操作流程分為3部分，即：初始化，ROM命令，功能命令。對DS18B20的操作必須嚴格按照以上時序進行，如果某一步丟失DS18B20將不再應答，完成功能命令后若需進行下一步操作需要返回初始化階段，重新開始一輪流程。

本文的目的是監測星上多個節點的溫度數據，需要每隔一段時間進行一次溫度轉換并依次讀出各個18B20的數據。因此需要用到的ROM命令有：READ ROM、MATCH ROM、SKIP ROM，需要用到的功能命令有：CONVERTTEMPERATURE、READSCRATCHPAD。

2.3DS18B20的讀寫邏輯

DS18B20的讀寫邏輯也遵循特定時序規則。

主機每向18B20寫1 bit數據即為一個write slot，當一個write slot開始后，主機先將總線拉低至少1 μs，然后在15 μs內釋放總線。若主機需要寫'1'，則在釋放總線后輸出高電平；若寫'0'，則保持輸出低電平。18B20將在一個write slot產生后的15至60 μs采樣，若采樣信號為高電平，則認為寫入的是'1'，反之則為'0'。每一個write slot至少持續60 μs的時間，相鄰的write slot間需要至少1 μs的恢復時間。

主機從18B20讀1 bit數據即為一個read slot，當一個write slot開始后，主機先將總線拉低至少1 μs然后釋放。當主機初始化一個read slot后，18B20將向總線上傳輸數據供主機讀取，主機需要在15 μs內對總線采樣完成讀數。每一個read slot至少持續60 μs的時間，相鄰的read slot間需要至少1 μs的恢復時間。

圖2　溫度采集流程圖

3　星上溫度采集的FPGA方案

3.1DS18B20溫度采集流程

采用DS18B20完成的星上溫度采集系統流程圖如圖2所示。當狀態機接收到觸發指令時，程序啟動，首先通過一線網總線發布一個初始化命令初始化所有DS18B20，然后執行convert命令，啟動溫度轉換。由于12位溫度轉換所需時間至多為750 ms，因此等待750 ms后溫度轉換一定已經完成。最后依次match每一個DS18B20的romid，讀出此前存于暫存器中的溫度數據，循環此操作直至完成線上每一個DS18B20溫度數據的讀取。星載計算機可以1 s完成一次對星上所有DS18B20溫度的采集，而每隔1 s的觸發信號可由定時器產生。

3.2DS18B20溫度采集的FPGA程序設計

文中采用VHDL語言編寫程序。采用三段式狀態機，將組合邏輯和時序邏輯分開，利于綜合器分析優化和程序維護，且更符合設計的習慣思維。其中PROCESS A采用同步時序描述狀態轉移，PROCESS B采用組合邏輯判斷狀態轉移條件，PROCESS C使用同步時序電路描述每個狀態的輸出。

程序分為兩層狀態機，上層狀態機負責功能之間的跳轉，底層狀態機定義基本操作的流程，如寫1bit數和讀1bit數，兩層狀態機間通過壓棧出棧的原理互通。上層狀態機的狀態轉換圖如圖3（a）。

Idle狀態的跳轉信號由定時器觸發產生，當收到觸發信號后狀態機跳至Reset_begin狀態，依次向下執行，當讀取完所有總線上的DS18B20，狀態機回到Idle狀態，等到下一次觸發信號。

圖3　DS18B20控制器狀態機狀態圖

每向DS18B20發送一條指令，狀態機先進入begin狀態，在begin狀態里，將tx_push置1，tx_push是底層狀態機的啟動信號，當push為1時，底層狀態機啟動，執行tx_type對應的指令，底層狀態機啟動后將tx_pop信號置1，而當底層狀態機執行完當前命令的操作，進入end狀態時，tx_pop信號置0，返回給上層狀態機告訴其操作已經完成，上層狀態機可以根據指令跳轉到下一個狀態，底層狀態機狀態圖如圖3（b）。因為DS18B20需要嚴格按照一線網的時序進行操作，讀寫過程中存在相當多的計數與延時，因本文涉及到步驟偏多，若僅采用一層流水線狀態機將使得設計復雜化。采用兩層狀態機，將讀寫、復位等最常用邏輯的時序置于底層狀態機中有利于簡化設計，使得代碼可重用性提升，同時也有利于代碼的修改維護和管理。

3.3DS18B20溫度采集結果分析

文中采用基于SmartFusion2的SoC設計平臺，在APB總線下掛載VHDL語言設計的DS18B20控制器，如圖4。

選用MicroSemi公司的SmartFusion2 SoC FPGA開發板Starter kit進行調試，外部采用3.3V電源給DS18B20供電，調試結果圖5所示。

圖4　DS18B20控制器配置圖

圖5　示波器波形圖

圖5（a）給出了一次流程中初始化及溫度轉換的波形圖，其中給出Push信號的波形圖，T給出DS18B20數據端波形圖。圖5（b）給出了溫度轉換完成后Match并讀取某一個DS18B20的波形圖，文中實際電路中連接了4路DS18B20，由于篇幅限制，僅給出其中某一路信號，其余類似，實際應用到星上時，會有更多路DS18B20分散在衛星的各個位置，且每一路的ROMID事先已通過單片機程序讀出。

4　結束語

文中創新點在于給出了FPGA設計的多路DS18B20控制器方案。利用FPGA設計有很多優勢，最重要的有兩點。其一是外部電路僅使用一根數據線，極大減少FPGA接口資源的使用。其二是利用FPGA設計溫度采集控制系統可以分擔星載計算機上星務軟件的工作量，節約CPU資源，同時還能提高整體實時性，降低CPU處理的嚴格實時約束，從而降低CPU軟件處理的難度。

DS18B20還有一些其他的功能，如溫度報警功能，基于星上測溫的需求，本文設計中暫未用到，但思路相同，有需要的讀者可以自行設計。

［1］姚敏，趙敏.基于數據融合的小衛星溫度測量冗余設計方法［J］.儀器儀表學報，2006（10）:1266-1269.

［2］Zhou Runjing，JiaLanping，Liang Zhian.Design of Measure and Control of Heating Field in the Radio-frequency Heattherapy System［C］.ICEMI'2005第七屆國際電子測量與儀器學術會議論文集，2005.

［3］張錦鵬，程明，王俊山.基于FPGA的18b20的CRC校驗碼的并行算法及實現［J］.計算機與數字工程，2011（4）:44-46.

［4］ShangliXiao，Weisheng Xu，Youling Yu.A Simulative Building Fire Spread Tracking System Based on FPGA and 1-Wire Bus Sensor Network［C］.Proceedings of Asia Simulation conference 2008/the 7th International Conference on System Simulation and Scientific Computing（ICSC'2008），2008.

［5］周岳斌.基于FPGA和單總線技術的多點測溫系統設計［J］.科技咨詢導報，2007（5）:6-7.

［6］李農.FPGA與DS18B20型溫度傳感器通信的實現［J］.國外電子元器件（現電子設計工程），2006（2）:48-51.

［7］王春玲，王美紅，寧崇森，等.基于DS18B20的小環境測溫控制的FPGA實現［J］.泰山學院學報，2014（3）:10-16.

Design of multi-nodeacquisition system for on-board computer based on programmable SOC

TAN Zhu-hui1，LI Hua-wang2，CHANG Liang2，ZHOU Hua2
（1.Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology Chinese Academy of Science，Shanghai 200050，China；2.Shanghai Engineering Center for Micro-satellite，Shanghai 200120，China）

This paper describes the design of the satellite's temperature acquisition system based on a highly integrated system SOC FPGA chip named SmartFusion2 and high precision temperature sensor chip named DS18B20.In this program，FPGA only uses one I/O interface，connecting to multiple DS18B20swith a data line，it greatly reduces the FPGA interface resource usage.At the same time，the design of FPGA chip can reduce the workload of the software，enhance the overall CPU processing performance，besides，the use of FPGA can also improve the overall real-time performance，reduce CPU processing strict constraints.

FPGA；DS18B20；1-wire；SmartFusion2

TN99

A

1674－6236（2016）16-0054-04

2015-08-23稿件編號：201508124

中國科學院戰略性先導科技專項（XDA04040201）

譚竹慧（1991—），女，江蘇鎮江人，碩士研究生。研究方向：星載計算機綜合電子系統設計。