fpga温度测量设计本科论文(编辑修改稿)

fpga温度测量设计本科论文(编辑修改稿)内容摘要：

下面将 对其内部结构做以介绍， DS18B20 采用３脚 PR－ 35 封装或８脚SOIC 封装，其内部结构框图如图 22 所示。 64 位 ROM 的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号， 共有 48 位，最后８位是前面 56 位的 CRC 检验码，这也是多个 DS18B20可以采用一线进行通信的原因。 温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的 EERAM。 高速暂存 RAM 的结构为８字节的存储器，结构如图 22 所示。 头２个字节包含测得的 温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。 第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。 DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。 该字节各位的定义如图 34 所示。 低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式， DS18B20 出厂时该位被设置为０，用户要去改动， R1 和Ｒ 0 决定温度转换的精度位数，来设置分率。 图 DS18B20 内部结构图 图 DS18B20 引脚图 测温原理 DS18B20 内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器 1 提供一个频率稳定的计数脉冲。 西安工业大学毕 业设计（论文） 8 高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器 2 提供一个频率随 温度变化的计数脉冲。 初始时，温度寄存器被预置成 55℃，每当计数器 1 从预置数开始减计数到 0 时，温度寄存器中寄存的温度值就增加 1℃，这个过程重复进行，直到计数器 2 计数到 0 时便停止。 初始时，计数器 1 预置的是与 55℃相对应的一个预置值。 以后计数器 1 每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。 为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。 计数器 1 的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加 1℃计数器所需要的计数个数。 DS18B20 内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有 效位。 在计数器 2 停止计数后，比较器将计数器 1 中的计数剩余值转换为温度值后与 ℃进行比较，若低于 ℃，温度寄存器的最低位就置 0；若高于℃，最低位就置 1；若高于 ℃时，温度寄存器的最低位就进位然后置 0。 这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表 ℃，四舍五入最大量化误差为177。 1/2LSB，即 ℃。 温度寄存器中的温度值以 9 位数据格式表示，最高位为符号位，其余 8 位以二进制补码形式表示温度值。 测温结束时，这 9 位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位 占用第一字节， 8 位温度数据占据第二字节。 DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。 DS18B20 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。 当计数门打开时， DS18B20 进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。 芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。 测量结果存入温度寄存器中。 一般情况下的温度值应该为 9 位，但因符号位扩展成高 8 位，所以最后以 16 位补码形式读出。 供电方式 DS18B20 有两种供电方式，一种是 寄生电源强上拉供电方式（图 ），一种是外部供电方式（图 ），如下图： 图 寄生电源强上拉供电方式电路图 在寄生电源供电方式下， DS18B20 从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ 处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平 期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 为了使 DS18B20 在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到 西安工业大学毕 业设计（论文） 9 E2 存储器操作时，用 MOSFET 把 I/O 线直接拉到 VCC 就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到 E2 存储器或启动温度转换的指令后，必须在最10μS 内把 I/O 线转换到强上拉状态。 在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根 I/O 口线进行强上拉切换。 图 外部电源供电方式电路 在外部电源供电方式下， DS18B20 工作电源由 VDD 引脚接入，此时 I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个 DS18B20 传感器，组成多点测温系统。 在外部供电的方式下， DS18B20 的 GND 引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是 85℃。 时序 DS18B20 的工作方式看似简单，只是单线传输，直接解读，其实初始化与读写操作比较复杂，时序要求非常精确，一下将一一介绍 初始化：使用 DS18B20 时 , 首先需将其复位 , 然后才能执行其它命令。 复位时 , 主机将数据线拉为低电平并保持 480us~960us，然后释放数据线 , 再由上拉电阻将数据线拉高 15us~60us，等待 DS18B20 发出存在脉冲 , 存在脉冲有效时间为 60 us~240us，这样，就完成了复位操 作。 其复位时序如图 所示 初始化时序 写时序 写时隙：在主机对 DS18B20写数据时 , 先将数据线置为高电平 , 再变为低电平 , 该低电平应大于 1us。 在数据线变为低电平后 15us内，根据写 “ 1”或写“ 0” 使数据线变高或继续为低。 DS18B20将在数据线变成低电平后 15us~ 60us内对数据线进行采样。 要求写入 DS18B20的数据持续时间应大于 60us而小于 120us，两次写数据之间的时间间隔应大于 1us。 写时隙的时序如图 西安工业大学毕 业设计（论文） 10 读时隙： 当主机从 DS18B20读数据时 , 主机先将数据线置为高电平 , 再变为低电平 , 该低电平应大于 1us， 然后释放数据线 ， 使其变为高电平。 DS18B20在数据线从高电平变为低电平的 15us内将数据送到数据线上。 主机可在 15us后读取数据线。 读时隙的时序如图 图 读时隙 操作命令 主机可通过一线端口对 DS18B20进行操作 ， 其步骤为 :初始化命令 (复位 )→ROM功能命令 → 存储器功能命令 → 执行 /数据 ， DS18B20的 ROM命令有 5个 ,存储器命令有 6个。 命令的执 行都是由复位、多个读时隙和写时隙基本时序单元组成。 因此 ,只要将复位、读时隙、写时隙的时序了解清楚 , 使用 DS18B20就比较容易了 , 其操作指令如下。 ROM[33H] ROM[55H]：这个是匹配 ROM 命令，后跟 64 位 ROM 序列，让总线控制器在多点总线上定位一只特定的 DS18B20。 只有和 64 位 ROM 序列完全匹配的 DS18B20 才能响应随后的存储器操作。 所有和 64 位 ROM 序列不匹配的从机都将等待复位脉冲。 这条命令在总线上有单个或多个器件时都可以使用。 ROM[0CCH]：这条命令允许总线控制器不用提供 64 位 ROM 编码就使用存储器操作命令，在单点总线情况下，可以节省时间。 如果总线上不止一个从机，在 Skip ROM 命令之后跟着发一条读命令，由于多个从机同时传送信号，总线上就会发生数据冲突（漏极开路下拉效果相当于相“与”）。 ROM[0F0H]：当一个系统初次启动时，总线控制器可能并不知道单线总线上有多个器件或它们的 64 位编码，搜索 ROM 命令允许总线控制器用排除法识别总线上的所有从机的 64 位编码。 Search[0ECH]：这条命令的 流程和 Search ROM 相同。 然而，只有在最近一次测温后遇到符合报警条件的情况， DS18B20 才会响应这条命令。 报警条件定义为温度高于 TH 或低于 TL。 只要 DS18B20 不掉电，报警状态将一直保持，知道再一次测得的温度值达不到报警条件。 Scratchpad[4EH]：这个命令向 DS18B20 的暂存器 TH 和 TL中写入数据。 可以在任何时刻发出复位命令来中止写入。 Scratchpad[0BEH]：这个命令读取暂存器的内容。 读取将从第 1 个字节开始，一直进行下去，直到第 9（ CRC）字 节读完。 如果不想读完所有字西安工业大学毕 业设计（论文） 11 节，控制器可以在任何时间发出复位命令来中止读取。 Scratchpad[48H]：这个命令把暂存器的内容拷贝到 DS18B20 的 E178。 ROM 存储器里，即把温度报警触发字节存入非易失性存储器里。 如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而 DS18B20 又忙于把暂存器拷贝到 E178。 存储器， DS18B20 就会输出一个 0，如果拷贝结束的话， DS18B20 则输出 1。 如果使用寄生电源，总线控制器必须在这条命令发出后立即启动强上拉并保持10ms。 T[44H]：这条 命令启动一次温度转换而无需其他数据。 温度转换命令被执行，而后 DS18B20 保持等待状态。 如果总线控制器在这条命令之后跟着发出时间隙，而 DS18B20 又忙于做时间转换的话， DS18B20 将在总线上输出 0，若温度转换完成，则输出 1,。 如果使用寄生电源，总线控制必须在发出这条命令后立即启动强上拉，并保持 500ms 以上时间。 E178。 :这条命令把报警触发器里的值拷贝回暂存器。 这种拷贝操作在DS18B20 上电时自动执行，这样器件一上电，暂存器里马上就存在有效的数据了。 若在这条命令发出之后发出读数据隙， 器件会输出温度转换忙的标识： 0为忙， 1 为完成。 Power Supply[0B4H]:若把这条命令发给 DS18B20 后发出读时间隙，器件会返回它的电源模式： 0 为寄生电源， 1 为外部电源。 硬件设计 设计采用 FPGA 器件和 DS18B20 实现温度测量，核心芯片采用 ALTERA公司生产的 CycloneII 系列 EP2C8Q208C8 芯片 ， 将 DS18B20 与 FPGA 开发板焊接在一起，同时使能温度传感器和数码管显示模块，元件安装示意图如图 所示，该系统要正常工作，还需要电源电路、下载电路、时钟电路，复 位电路等单元电路支持，下面将对其进行说明。 图 FPGA 开发板与 DS18B20 的连接 最小系统硬件原理图 FPGA 测温 最小系统 主要由 FPGA 器件、时钟电路 、电源电路、显示电路西安工业大学毕 业设计（论文） 12 等组成。 硬件原理图如图 ASDO1nCSO2CRC_ERR3CLKUSR4IO5IO6VCCIO7IO8GND9IO10IO11IO12IO13IO14IO15TDO16TMS17TCK18TDI19DATA020DCLK21nCE22CLK023CLK124GND25nCONFIG26CLK227CLK328VCCIO29IO30IO31VCCINT32IO33IO34IO35GND36IO37GND38IO39IO40IO41VCCIO42IO43IO44IO45IO46PLL1_OUTp47PLL1_OUTn48GND49GND_PLL50VCCD_PLL51GND_PLL52VCCA_PLL53GNDA_PLL54GND55DEV_OE56IO57IO58IO59IO60IO61VCCIO62IO63IO64GND65VCCINT66IO67IO68IO69IO70VCCIO71IO72GND73IO74IO75IO76IO77GND78VCCINT79IO80IO81IO82VCCIO83IO84GND85IO86IO87IO88IO89IO90VCCIO91IO92GND93IO94IO95IO96IO97VCCIO98IO99GND100IO101IO102IO103IO104IO105IO106INIT_DONE107nCEO108VCCIO109IO110GND111IO112IO113IO114IO115IO116IO117IO118GND119。