基于FPGA單總線溫度測量在多點測溫方向的應用設計

田野

摘 要：本文提出了一種基于FPGA的單總線多點測溫的應用設計方案，只需3根線就能完成幾十個甚至上百個溫度點的測量，與通常單線單點測溫相比，具有線路簡單、占用資源少、擴展維護方便等特點。通過實驗樣機驗證：基于FPGA的1-wire多點測溫設計方案是可行的，已成功實現單總線8個溫度點的實時測量，并試驗樣機工作穩定可靠，此設計方案可應用在工業生產、民用生產、軍工設備等設施的多點溫度檢測與控制等領域。

關鍵詞：單總線 DS18B2 0FPGA 單點測溫 多點測溫

中圖分類號：TP271.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（b）-0006-02

1-wire單總線技術，即一根線既傳輸時鐘又傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的，在微功耗的運用下還能做寄生供電的電源使用，是目前結構最簡單、成本低廉且便于擴展維護的一種數據傳輸方式。這種技術具有線路簡單、硬件開銷少等顯著優點，廣泛用于工業生產、民用生產、軍工設備等設施的溫度檢測與控制[1]。

單總線技術是MAXIM全資子公司DALLAS的一項專有技術，與目前多種串行數據通訊方式（SPI/IIC）不同，它采用單根信號線。目前常用的單總線器件很多，涉及到溫度傳感器、EEPROM、實時時鐘等很多種類，市場上運用最為廣泛的芯片之一就溫度傳感器DS18B20。

1 單總線溫度測量原理

在日常生活及工農業生產中經常要用到溫度的檢測及控制，傳統的測溫元器件有熱電偶、熱電阻、而它們測出的信號一般都是電壓信號，需要外部硬件電路支持，把模擬量信號轉換成數字量信號便于顯示和控制。本文為了低成本和工程化設計，采用溫度傳感器DS18B20通過FPGA的IO口直接獲取溫度數字量信號，這種單總線數字信號傳輸技術，具有抗干擾性高、可靠度高、傳輸距離遠等優勢。

DS18B20是美國DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器芯片，采用3引腳TO-92小體積封裝和8腳SOIC封裝，測量溫度范圍-55℃～125℃，具有9～12位AD轉換精度，最小溫度分辨率可達0.0625℃，以16位補碼方式串行輸出所測量的溫度值。

2 方案設計

DS18B20供電方式分為：內部寄生電源和外部電源兩種形式，在連接方式上分為單片連接和多片連接，前者形成單點測溫系統，后者構成多點測溫系統[2]。

2.1 單點測溫硬件設計

DS18B20工作在寄生電源模式下時，從信號線DQ上汲取能量，DQ高電平時DS18B20吸收能量至內部電容，DQ低電平時利用內部電容的能量工作，從而實現在不需要本地電源的情況下遠程測溫；其電路連接如圖1所示。

2.2 多點測溫硬件設計

DS18B20工作在外供電源模式下，多個DS18B20可以并聯到3根線上，此時FPGA只需一根端口線就可以實現與多個DS18B20傳感器的通訊，這樣只占用微處理器的一個IO端口，就可實現多點測溫系統[3]。

DS18B20有一個存儲于ROM中激光刻制的64位序列號，是該DS18B20地址序列碼，每個DS18B20序列碼均不相同。64位長的唯一ROM碼中，開始8位（28H）是產品類型

標識號，作為單總線器件識別碼，接下來48位是器件唯一序列號，最后八位是前56位的CRC校驗碼。ROM中序列碼的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可實現一根總線上掛接多個DS18B20。當有許多單總線器件連接在同一總線上時，系統可通過序列號將需要訪問的器件挑出來，一旦知道每個器件的地址，就可以利用該地址選擇相應器件進行通訊。三線制電路連接如圖2所示。

2.3 軟件設計

軟件基于FPGA采用Verilog編寫，主要完成DS18B20初始化、寫時序操作、讀時序操作、數據發送等功能。

2.3.1 復位時序

DS18B20工作時，首先FPGA控制總線DQ將DS18B20復位，然后才能執行其他命令。復位時，FPGA將總線拉為低電平并保持616μs，然后釋放總線；DS18B20檢測到復位低電平后，立即響應復位命令，控制總線并拉高75μs；至此，完成復位操作。

2.3.2 寫時序

FPGA控制DS18B20總線，執行寫數據時序時，先將總線DQ置為低電平，保持時間5μs；DS18B20在數據線變成低電平后15～60μs內對數據線進行采樣。因此，FPGA根據寫數據的內容“1”或者“0”將總線DQ相應拉低5μs或拉低75μs，然后釋放總線，完成一個比特位寫時序的操作；依次類似完成其他比特位寫時序的操作。

2.3.3 讀時序

FPGA讀取DS18B20溫度數據時，先將數據總線DQ置為低電平，保持時間8μs，然后釋放數據總線；DS18B20控制總線，在數據線從高電平變為低電平的22μs內將一個比特位數據送到總線DQ上；因此，FPGA根據時序在釋放總線4μs后讀取總線數據，完成第一個比特位的采樣；

2.3.4 溫度數據格式

DS18B20中有兩個高速暫存器，存放16位二進制溫度數據，高5位是符號位，其余11位是數據位；如果溫度大于0℃，符號位為0，取得暫存器里面數值乘以0.0625，即實際溫度值；如果溫度小于0℃，符號位為1，取得暫存器里面數值取反加1，再乘以0.0625即實際溫度值，如表1所示。

2.3.5 程序流程

FPGA對DS18B20的操作流程：先對DS18B20初始化，然后發操作指令，最后對高速暫存器操作。單總線模式下DS18B20每一步操作都需遵循嚴格的時序和通訊協議。程序流程如圖3所示。

3 結語

通過樣機驗證：基于FPGA的1-wire多點測溫設計，實現8個溫度點的實時測量，樣機工作穩定可靠，測量分辨率達0.062℃，并在所內多個慣導及導航型號產品中得到驗證。

整個系統設計采用3根并聯在一起，占用資源少，擴展維護方便，支持多達上百個多點溫度測量，具有抗干擾性高、可靠度高、傳輸距離遠等優勢，適用于工業生產、民用生產、軍工設備等設施的多點溫度測量。

參考文獻

[1] 余瑾，姚燕.基于DS18B20測溫的單片機溫度控制系統[J].微計算機信息，2009（8）：105-106.

[2] 陳勇，許亮，許海闊，等.基于單片機的溫度控制系統的設計[J].計算機測量與控制，2016，24（2）：77-79.

[3] 王劍飛，程耀瑜，王鵬，等.基于FPGA和DSP的多路信號采集系統的設計[J].電視技術，2013，37（23）：57-60.