【文章內(nèi)容簡介】 PU，同時可傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 。 DS18B20 外部和 內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 引腳定義： 黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） — 8— (1)DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端； (2)GND 為電源地； (3)VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地） 圖 3 DS18B20 的外形及管腳排列 圖 4 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 內(nèi)部主要由四部分組成 ； 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例 :用 16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達，其中 S為符號位。 黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） — 9— 表 1 轉(zhuǎn)換關(guān)系表 類型 對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 Ls Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 Ms Byte S S S S S 26 25 24 這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實際溫度。 DS18B20 溫度傳感器的存儲器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個 高速暫存 RAM和一個非易失性的可電擦除的 E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 暫存存儲器包含了 8 個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是 TH、 TL的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。 該字節(jié)各位的意義如下： TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1 ， TM 是測試模式位， 用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。在 DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動。 R1和 R0 用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（ DS18B20 出廠時被設(shè)置為 12 位） 表 2 分辨率設(shè)置 R1 R0 分 辨 率 溫度最大轉(zhuǎn)化 換時間 0 0 9位 ms 0 1 10位 ms 1 0 11位 375 ms 1 1 12位 750 ms 根據(jù) DS18B20 的通訊 協(xié)議，主機控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進行復位，復位成功后發(fā)送一條 ROM指令，最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預(yù)定的操作。復位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16～60 微秒左右，后發(fā)出 60～ 240 微秒的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復位成功。 黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） — 10— DS1820 使用中注意事項 DS1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題 ： （ 1） 較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS1820 進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用 PL/M、 C 等高級語言進行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對 DS1820 操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 （ 2） 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個 DS1820，在實際應(yīng)用中并非如此。當單總線上所掛 DS1820 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫 系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。 （ 3） 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達 150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用 DS1820 進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 （ 4） 在 DS1820 測溫程序設(shè)計中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS1820 的返回信號，一旦某個 DS1820 接觸不好或斷線，當程序讀該 DS1820 時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。 （ 5） 測溫電纜線建議采用屏蔽 4 芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接 VCC 和地線，屏蔽層在源端單點接地。 硬件描述語言 簡介 VHDL 語言能夠成為標準化的硬件描述語言并獲得廣泛應(yīng)用，它自身必然具有很多其他硬件描述語言所不具備的優(yōu)點。歸納起來， VHDL 語言主要具有以下優(yōu)點： （ 1） VHDL 語言功能強大，設(shè)計方式多樣 VHDL 語言具有強大的語言結(jié)構(gòu)，只需采用簡單明確的 VHDL 語言程序就可以描述十分復雜的硬件電路。同時，它還具有多層次的電路設(shè)計描述功能。此外， VHDL 語言能夠同時支持同步電路、異步電路和隨機電路的設(shè)計實現(xiàn)，這是其他硬件描述語言所不能比擬的。 VHDL 語言設(shè)計方法靈活多樣，既支持自頂向下的設(shè)計方式，也支持自底向上的設(shè)計方法； 既支持模塊化設(shè)計方法，也支持層次化設(shè)計方法。 （ 2） VHDL 語言具有強大的硬件描述能力 VHDL 語言具有多層次的電路設(shè)計描述功能，既可描述系統(tǒng)級電路，也黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） — 11— 可以描述門級電路 ；描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者的混合描述方式。同時， VHDL 語言也支持慣性延遲和傳輸延遲，這樣可以準確地建立硬件電路的模型。 VHDL 語言的強大描述能力還體現(xiàn)在它具有豐富的數(shù)據(jù)類型。 VHDL 語言既支持標準定義的數(shù)據(jù)類型，也支持用戶定義的數(shù)據(jù)類型，這樣便會給硬件描述帶來較大的自由度。 （ 3） VHDL 語言具有很強的移植能力 VHDL 語言很強的移植能力主要體現(xiàn)在： 對于同一個硬件電路的 VHDL 語言描述，它可以從一個模擬器移植到另一個模擬器上、從一個綜合器 移植到另一個綜合器上或者從一個工作平臺移植到另一個工作平臺上去執(zhí)行。 （ 4） VHDL 語言的設(shè)計描述與器件無關(guān) 采用 VHDL 語言描述硬件電路時，設(shè)計人員并不需要首先考慮選擇進行設(shè)計的器件。這樣做的好處是可以使設(shè)計人員集中精力進行電路設(shè)計的優(yōu)化，而不需要考慮其他的問題。當硬件電路的設(shè)計描述完成以后， VHDL 語言允許采用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。 （ 5） VHDL 語言程序易于共享和復用 VHDL 語言采用基于庫 ( library) 的設(shè)計方法。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員可以建立各種可再次利用的模 塊，一個大規(guī)模的硬件電路的設(shè)計不可能從門級電路開始一步步地進行設(shè)計，而是一些模塊的累加。這些模塊可以預(yù)先設(shè)計或者使用以前設(shè)計中的存檔模塊，將這些模塊存放在庫中，就可以在以后的設(shè)計中進行復用。 由于 VHDL 語言是一種描述、模擬、綜合、優(yōu)化和布線的標準硬件描述語言，因此它可以使設(shè)計成果在設(shè)計人員之間方便地進行交流和共享，從而減小硬件電路設(shè)計的工作量，縮短開發(fā)周期。 本章小結(jié) 此章節(jié)主要介紹設(shè)計 FPGA 的數(shù)字溫度計應(yīng)用到的有關(guān)理論知識和系統(tǒng)設(shè)計流程。例如其中應(yīng)用到的 FPGA 的結(jié)構(gòu)介紹及開發(fā)編程原理， DS18B20溫度傳感器的性能特點 和硬件編程語言 VHDL 的基本知識等。 黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） — 12— 3 設(shè)計過程 整體方案設(shè)計 FPGA 控制 DS18B20： FPGA 需要完成 DS18B20 的初始化、讀取 DS18B20 的 48 位 ID 號、啟動DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度轉(zhuǎn)化結(jié)果。讀取 48 位 ID 號和讀取溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果過程中， FPGA 還要實現(xiàn) CRC 校驗碼的計算，保證通信數(shù)據(jù)的可靠性 [14]。 以上操作反復進行，可以用狀態(tài)機來實現(xiàn)。狀態(tài)機的各種狀態(tài)如下： RESET1：對 DS18B20 進行第一次復位，然后進入等待，等待 800μ s 后，進入下一狀態(tài)。 CMD33：對 DS18B20 發(fā)出 0 33 命令，讀取 48 位 ID 值。 GET_ID：從 DS18B20 中讀取 48 位 ID 值。 RESET2：對 DS18B20 進行第二次復位，然后進入 DELAY 狀態(tài)等待 800μ s 后，進入 CMDCC 狀態(tài)。 CMDCC：向 DS18B20 發(fā)出忽略 ROM 命令，為進入下一狀態(tài)作準備。 CMD44：向 DS18B20 發(fā)出啟動溫度轉(zhuǎn)換命令，然后進入等待， 900ms后進入下一狀態(tài)。 RESET3：對 DS18B20 進行第三次復位。 CMDCC2：向 DS18B20 發(fā)出忽略 ROM 命令，為了進入下一狀態(tài)作準備。 GET_TEMP：從 DS18B20 中讀取溫度測量數(shù)值。 DELAY：等待狀態(tài)。 WRITE_BIT：向 DS18B20 中寫入數(shù)據(jù)位狀態(tài)。 READ_BIT：從 DS18B20 中讀取數(shù)據(jù)位狀態(tài)。在該狀態(tài)中每讀取 1 位數(shù)據(jù)，同時完成該數(shù)據(jù)位的 CRC 校驗計算 [15]。所有數(shù)據(jù)都讀取后，還要讀取 8位 CRC 校驗位。這 8 位校驗位也經(jīng)過 CRC 校驗計算，如果通信沒有錯誤，總的 CRC 校驗結(jié)果應(yīng)該是 0。這時可將通信正確的數(shù)據(jù)保存到 id 和 temp_data寄存器中。 軟件設(shè)計流程 黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） — 13— 圖 5 主程序流程圖 FPGA 控制 DS18B20， FPGA 需要完成 DS18B20 的初始化、讀取 DS18B20的 48 位 ID 號、啟動 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度轉(zhuǎn)化結(jié)果，顯示實時溫度并判斷是否超過溫度上下限，否則報警。 本設(shè)計應(yīng)用的 數(shù)碼管的介紹 開始 初始化液晶屏， DS18B20 當 前 溫 度 是否符合報警條件 從 DS18B20 采集數(shù)據(jù) 蜂鳴器報警 屏幕繼續(xù)顯示實時溫度 YES NO 黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） — 14— 圖 6 數(shù)碼管圖 圖 7 共陽極數(shù)碼管 此次設(shè)計采用的是共陽極的 4 位一體的數(shù)碼管，數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陽極就是把所有 LED 的陽極連接到共同接點 ，而每個 LED的陰極分別為 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 及 dp（小數(shù)點）；共陰極則是把所有 LED的陰極連接到共同接點 ，而每個 LED 的陽極分別為 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g及 dp（小數(shù)點）。如圖 7 示為陽極數(shù)碼管圖。圖中的 8 個 LED 分別與上面那個圖中的 A~DP 各段相對應(yīng)，通過控制各個 LED 的亮滅來顯示數(shù)字。 在計時結(jié)果顯示電路中，七段數(shù)碼管顯示部分是一個不容忽視的環(huán)節(jié)，如若處理不得當，可能引 起系統(tǒng)功率過大，產(chǎn)生散熱問題，嚴重時甚至會導致系統(tǒng)的燒毀。為了解決好以上問題，下面就對七段數(shù)碼管顯示電路做簡要的分析和介紹。 通常點亮一個 LED 所需的電流是 5～ 50 mA，通電的電流愈大， LED 的亮度愈高，相對的也會使其壽命縮短。一般以 10 mA 的導通電流來估算它所必須串聯(lián)的阻值，其計算方式參考圖 8 示。 圖 8 LED 的串接電阻計算方式 k? V +5 V 10 mA (5 ) /10 mA= k? 黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） — 15— 所謂共陽極就是把所有數(shù)碼管的陽極相連形成公共陽極，應(yīng)用時接到+5~+，低電平有效，高電平的時候就不亮。 顯