采用DS18B20芯片实现分布式温度采集系统的设计

引言

温度测量在现代工业生产过程中发挥着重要的作用, 无论对于大型企业还是众多的小 型工厂, 往往需要监测多个设备的几十个温度值[1]。在分布式温度采集系统中，通常采用单 片机作为系统的控制器，系统工作时依次采集每一个探测器的温度值并存储。如果监测到某 个探测点的温度有异常，系统就会根据用户的需要做出相应的反映。然而，当监测点数量很 多时，单片机轮流地采集完每一个监测点的温度值会花费相对较长的时间，如果这个过程中 有某个测量点温度异常将不能实时地反映到系统中，使得温度采集系统的实时性降低。

现场可编程门阵列（FPGA）是美国Xilinx 公司在20 世纪80 年代中期率先推出的一种 高密度可编程逻辑器件，它既具有PLD 可编程的灵活性，又有掩膜门阵列（GA）高集成度 和通用性，单片FPGA 的集成规模已达到几百万门，其工作频率已超过300MHz[2]。本文以 FPGA 作为分布式温度采集系统的控制器，与以往利用单片机作为控制器的系统相比，提高 了系统整体的实时性和稳定性。

1 温度传感器及其通信协议

本系统中温度传感器采用的MAXIM 公司的1-Wire 器件DS18B20，DS18B20 温度传感 器由于其结构简单、安装方便、功耗低、测温范围宽而被广泛的应用于化工、粮食、环境监 测等需要实现多点测温的地方[3]；1-Wire 技术采用一根信号线进行双向数据传输，一个控制 器可以控制一个或多个从机设备，与其他标准串行数据通信方式如SPI、I2C 相比，单总线 具有节省系统I/O 口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点[4]。

由于 1-Wire 总线只有一根信号线，所以要完成通信就要在一根信号线上实现数据的双 向传输。1-Wire 通信协议对时序的要求非常严格，协议中一共规定了五种类型的通信时序， 分别为初始化（复位）时序、写“1”时序、写“0”时序、读“1”时序和读“0”时序，如 图1 所示。所有通信都由这五种典型时序组合完成，就是说要控制好这五种时序，才能实现 对1-Wire 器件的控制。

2 实时分布式温度采集系统设计

大多数基于DS18B20 的温度采集系统采用单片机作为控制器，可以监测多个温度点的 温度。虽然监测点的数目可以很多，但是却无法做到同时对每一个监测点进行监测。原因在 于单片机在一个时间周期只能执行一条指令，无法实现并行的动作了。然而采用FPGA 作 为控制器将大大提升温度监测系统的实时性，FPGA 的动作是由时钟来驱动的，因此可以在 同一时钟可完成多个动作。FPGA 可以并行地处理数据，这是单片机无法做到的。本文设计 的温度监测系统就是利用了FPGA 的这个优势，实现了对多个监测点实时进行监测。

2.1 系统硬件设计

FPGA 选用Altera 公司主流Cyclone 系列高性价比的EP1C6Q240C8N。测温系统的原理 图如图2 所示，由FPGA、显示部分、按键部分和采集部分组成。虽然单总线允许在总线上 挂载多个1-Wire 器件并实现多点控制，但这样却无法同时对每一个1-Wire 器件实现控制。 所以本系统的采集部分使每个DS18B20 都单独享有一条总线，每条总线都与FPGA 的一个 I/O 口相连。系统选用的FPGA 一共有240 个管脚，不算电源和配置管脚，可用的I/O 管脚 达到了179 个，除去显示和按键部分所用去的I/O 管脚，理论上还可以挂载上百个DS18B20。

按键部分的设计提供人机交互，可以设定最低温度警告数值和最高温度警告数值，通过 按键可以浏览每一个温度点的测量值。显示部分负责显示每一个测量点的标号和对应的温度 值。FPGA 负责控制温度的采集，并将每一个测量点的温度与设定好的最低温度和最高温度 进行实时比较，一旦某监测点的温度超标将立刻发出警报提示。

2.2 软件编程设计

本系统是连续实时采集温度的，所以需要有一个核心控制部分来实现对DS18B20 发送 复位、温度转换和温度读取指令的功能。控制部分采用有限状态机来实现，状态与状态之间 的转换需要一定的转移条件，这个转移条件可以是一个定义的信号量，当信号量的数值改变 时，状态机就通过信号量的数值来决定转换到哪一个状态。

根据有限状态机与温度采集控制器的对应关系，可以参照控制器的操作控制步来确定有 限状态机的状态。设发送复位指令的状态值为“000”，发送跳过ROM 指令的状态值为“001”， 发送转换温度指令的状态值为“011”，发送读取暂存指令的状态值为“101”，读取温度数据 的状态值为“100”。状态机的状态都确定以后，便做出有限状态机状态转移图，如图3 所示。

根据以上的分析，接下来用 VHDL 语言编写描述有限状态机功能的程序。程序使用两 个进程来描述有限状态机的功能：state_transfer 进程用来描述有限状态机中的次态逻辑和状 态寄存器，通过CASE 语句，根据次态逻辑值实现状态值的改变；output_logic 进程用来描 述有限状态机中的输出逻辑，通过IF 语句判断状态值，然后转入相应的指令程序。

3 基于FPGA 与基于单片机控制DS18B20 的比较与讨论

3.1 保证时序精确

单片机作为基于DS18B20 的温度监测系统的控制器，用汇编语言编写程序，很容易控 制时间，因为我们知道每条语句的执行时间，每段宏的执行时间，每段子程序加调用语句所 消耗的时间[5]。但是当系统进入中断，时序的控制就无法保证精确。

如果用 FPGA 作为基于DS18B20 的温度监测系统的控制器，在保证1-Wire 通信协议时 序上就有足够的把握。因为控制时序程序、显示部分程序和人机交互程序等都在相互独立的 进程上同时运行，保证了系统的实时性和可靠性。

3.2 查找序列号

单片机的管脚有限，所以要用单片机监测多个温度点时，就需要将多个DS18B20 挂在 一条总线上。很显然，序列号匹配工作需要额外的时间，而且在读取一个测温点温度值的过 程中，其它的测温点也都完成了测温并等待读取，这无疑降低了测温的效率。

用 FPGA 代替单片机，以上问题就不存在了。首先FPGA 具有丰富的管脚资源，可以 让每个传感器都单独使用一根数据线。这样不但可以实现同时读取每一个传感器的温度值， 而且可以不用进行序列号的匹配。大大提高了整个系统测温的效率，维护更加方便快捷。

3.3 成本考虑

单片机技术如今已经非常成熟，应用领域也非常广泛，价钱也非常便宜，普通的型号价 格在1 美元左右，最高端的型号也只有10 美元。因此用单片机作为控制器，整体系统的成 本相对较低。虽然FPGA 如今也已经得到了广泛的普及，但是价格还是相对较高，因此用 FPGA 作为系统的控制器，成本就相对高一些。

4 结论

使用FPGA 作为DS18B20 的控制器，可以保证时序上精确符合单总线通信协议，系统 运行时控制部分、显示部分、人机交互部分可以并行地运行互不干扰，提高了整体系统的实 时性与稳定性；与用单片机作为控制器的系统做出比较，分析了两者作为控制器的优缺点。

基于 FPGA 和DS18B20 的分布式温度采集系统，可实现同时监测多个温度点，并无需 知道每一个传感器的序列号，大大提高了温度采集系统的实时性和可靠性。虽然基于FPGA 的系统成本相对较高，但为分布式温度采集实时性要求较高的应用场合提出了解决办法。