基于FPGA单总线温度测量在多点测温方向的应用设计

田野

摘 要：本文提出了一种基于FPGA的单总线多点测温的应用设计方案，只需3根线就能完成几十个甚至上百个温度点的测量，与通常单线单点测温相比，具有线路简单、占用资源少、扩展维护方便等特点。通过实验样机验证：基于FPGA的1-wire多点测温设计方案是可行的，已成功实现单总线8个温度点的实时测量，并试验样机工作稳定可靠，此设计方案可应用在工业生产、民用生产、军工设备等设施的多点温度检测与控制等领域。

关键词：单总线 DS18B2 0FPGA 单点测温 多点测温

中图分类号：TP271.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（b）-0006-02

1-wire单总线技术，即一根线既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的，在微功耗的运用下还能做寄生供电的电源使用，是目前结构最简单、成本低廉且便于扩展维护的一种数据传输方式。这种技术具有线路简单、硬件开销少等显著优点，广泛用于工业生产、民用生产、军工设备等设施的温度检测与控制[1]。

单总线技术是MAXIM全资子公司DALLAS的一项专有技术，与目前多种串行数据通讯方式（SPI/IIC）不同，它采用单根信号线。目前常用的单总线器件很多，涉及到温度传感器、EEPROM、实时时钟等很多种类，市场上运用最为广泛的芯片之一就温度传感器DS18B20。

1 单总线温度测量原理

在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元器件有热电偶、热电阻、而它们测出的信号一般都是电压信号，需要外部硬件电路支持，把模拟量信号转换成数字量信号便于显示和控制。本文为了低成本和工程化设计，采用温度传感器DS18B20通过FPGA的IO口直接获取温度数字量信号，这种单总线数字信号传输技术，具有抗干扰性高、可靠度高、传输距离远等优势。

DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器芯片，采用3引脚TO-92小体积封装和8脚SOIC封装，测量温度范围-55℃～125℃，具有9～12位AD转换精度，最小温度分辨率可达0.0625℃，以16位补码方式串行输出所测量的温度值。

2 方案设计

DS18B20供电方式分為：内部寄生电源和外部电源两种形式，在连接方式上分为单片连接和多片连接，前者形成单点测温系统，后者构成多点测温系统[2]。

2.1 单点测温硬件设计

DS18B20工作在寄生电源模式下时，从信号线DQ上汲取能量，DQ高电平时DS18B20吸收能量至内部电容，DQ低电平时利用内部电容的能量工作，从而实现在不需要本地电源的情况下远程测温；其电路连接如图1所示。

2.2 多点测温硬件设计

DS18B20工作在外供电源模式下，多个DS18B20可以并联到3根线上，此时FPGA只需一根端口线就可以实现与多个DS18B20传感器的通讯，这样只占用微处理器的一个IO端口，就可实现多点测温系统[3]。

DS18B20有一个存储于ROM中激光刻制的64位序列号，是该DS18B20地址序列码，每个DS18B20序列码均不相同。64位长的唯一ROM码中，开始8位（28H）是产品类型

标识号，作为单总线器件识别码，接下来48位是器件唯一序列号，最后八位是前56位的CRC校验码。ROM中序列码的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可实现一根总线上挂接多个DS18B20。当有许多单总线器件连接在同一总线上时，系统可通过序列号将需要访问的器件挑出来，一旦知道每个器件的地址，就可以利用该地址选择相应器件进行通讯。三线制电路连接如图2所示。

2.3 软件设计

软件基于FPGA采用Verilog编写，主要完成DS18B20初始化、写时序操作、读时序操作、数据发送等功能。

2.3.1 复位时序

DS18B20工作时，首先FPGA控制总线DQ将DS18B20复位，然后才能执行其他命令。复位时，FPGA将总线拉为低电平并保持616μs，然后释放总线；DS18B20检测到复位低电平后，立即响应复位命令，控制总线并拉高75μs；至此，完成复位操作。

2.3.2 写时序

FPGA控制DS18B20总线，执行写数据时序时，先将总线DQ置为低电平，保持时间5μs；DS18B20在数据线变成低电平后15～60μs内对数据线进行采样。因此，FPGA根据写数据的内容“1”或者“0”将总线DQ相应拉低5μs或拉低75μs，然后释放总线，完成一个比特位写时序的操作；依次类似完成其他比特位写时序的操作。

2.3.3 读时序

FPGA读取DS18B20温度数据时，先将数据总线DQ置为低电平，保持时间8μs，然后释放数据总线；DS18B20控制总线，在数据线从高电平变为低电平的22μs内将一个比特位数据送到总线DQ上；因此，FPGA根据时序在释放总线4μs后读取总线数据，完成第一个比特位的采样；

2.3.4 温度数据格式

DS18B20中有两个高速暂存器，存放16位二进制温度数据，高5位是符号位，其余11位是数据位；如果温度大于0℃，符号位为0，取得暂存器里面数值乘以0.0625，即实际温度值；如果温度小于0℃，符号位为1，取得暂存器里面数值取反加1，再乘以0.0625即实际温度值，如表1所示。

2.3.5 程序流程

FPGA对DS18B20的操作流程：先对DS18B20初始化，然后发操作指令，最后对高速暂存器操作。单总线模式下DS18B20每一步操作都需遵循严格的时序和通讯协议。程序流程如图3所示。

3 结语

通过样机验证：基于FPGA的1-wire多点测温设计，实现8个温度点的实时测量，样机工作稳定可靠，测量分辨率达0.062℃，并在所内多个惯导及导航型号产品中得到验证。

整个系统设计采用3根并联在一起，占用资源少，扩展维护方便，支持多达上百个多点温度测量，具有抗干扰性高、可靠度高、传输距离远等优势，适用于工业生产、民用生产、军工设备等设施的多点温度测量。

参考文献

[1] 余瑾，姚燕.基于DS18B20测温的单片机温度控制系统[J].微计算机信息，2009（8）：105-106.

[2] 陈勇，许亮，许海阔，等.基于单片机的温度控制系统的设计[J].计算机测量与控制，2016，24（2）：77-79.

[3] 王剑飞，程耀瑜，王鹏，等.基于FPGA和DSP的多路信号采集系统的设计[J].电视技术，2013，37（23）：57-60.