基于VHDL的单总线从机读写控制器

设计基于VHDL的单总线从机读写控制器现代电子技术（作业）II目录前言................................................................................错误!未定义书签。第1章单总线技术..........................................................错误!未定义书签。第1.1节单总线技术简介............................................错误!未定义书签。第1.2节单总线技术的原理与硬件结构....................错误!未定义书签。第1.3节单总线技术的信号方式................................错误!未定义书签。第1.4节单总线技术的器件........................................错误!未定义书签。第2章DS18B20简介.......................................................错误!未定义书签。第2.1节DS18B20的封装与管脚................................错误!未定义书签。第2.2节DS18B20内部结构........................................错误!未定义书签。第2.3节DS1820时序及工作方式...............................错误!未定义书签。第3章控制器设计..........................................................错误!未定义书签。第3.1节控制器结构....................................................错误!未定义书签。第3.2节读写时序的实现............................................错误!未定义书签。第4章仿真与结论..........................................................错误!未定义书签。课堂感悟与致谢................................................................错误!未定义书签。现代电子技术（作业）1前言1820DSB是美国达拉斯公司生产的一种单总线1wire数字温度传感器，采用1wire总线通信协议。具有独特的单总线通信方式以及较高的测量精度，目前在实际生活中获得了广泛应用。本文介绍了1820DSB的基本原理和通信时序，并用软件模拟单总线时序，实现与1820DSB的通信。VHDL作为电子硬件设计的主流描述语言，采用层次化的设计方式，具有电路行为描述能力强、灵活、通用及运算仿真速度快等特点，能够较容易地实现时序逻辑控制。本文以数字温度传感器1820DSB为例，设计一个基于VHDL的单总线控制器，并对通信程序进行了仿真测试。本文介绍的单总线控制器，有较强的可扩展性，可以连接多种单总线器件，且微处理器可以不用被迫关闭中断，满足各类对实时性具有严格要求的应用。现代电子技术（作业）2第1章单总线技术第1.1节单总线技术简介单总线技术1WireBus是达拉斯半导体公司DALLASSEMICONDUCTOR推出的一项特有技术。它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据可以双向传输。由于这种单总线技术线路简单，硬件开销少，所以其具有成本低廉，便于总线扩展和易于维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。第1.2节单总线技术的原理与硬件结构单总线只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都在这根线上完成。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，这样便可允许设备在不发送数据时释放总线，以便其他设备使用总线，其内部等效电路如图1.1所示。图1.1单总线硬件接口示意图单总线要外接一个约4.7的上拉电阻，这样当总线闲置时，状态为高电平。主机和从机之间的通信通过以下三个步骤完成：初始化1wire器件，识别1wire器件，交换数据。由于二者是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能答应，因此主机访现代电子技术（作业）3问1wire器件必须严格遵循单总线命令序列：初始化、ROM命令、功能命令。如果出现序列混乱，1wire器件则不会响应主机（搜索ROM命令，报警搜索命令除外）。根据以上原理，可以画出单总线硬件接口原理图，如图1.2所示。图1.2单总线硬件接口原理图单总线端口为漏极开路，在本文中令单总线外接一个约5k的上拉电阻，这样，不管什么原因单总线的闲置状态为高电平。如果传输过程需要暂时挂起，且要求传输过程还能够继续的话，总线必须处于空闲状态。位传输之间的恢复时间没有限制，只要总线在恢复期间处于空闲状态（即高电平）即可。如果总线保持低电平超过480s则将总线上的所有器件将复位。此外，在使用寄生方式供电时，为了保证单总线器件在某些工作状态下（如温度转换期间、EEPROM写入等）具有足够的电源电流，必须在总线上提供强上拉源，如图1.2中所示的MOSFET。第1.3节单总线技术的信号方式所有单总线器件要求遵循严格的通信协议，以保证数据的完整性。1wire协议定义了几种信号类型：复位脉冲、答应脉冲、写0、写1、读0和读1时序。所有的单总线命令序列（初始化、ROM命令、功能命令）都是由这些基本的信号类型组成。这些信号，除了应答脉冲外都是由主机发出同步信号，并且发出的所有命令和数据都是字节的低位在前。初始化时序包括主机发送的复位脉冲和从机发出的应答脉冲，主机通过拉低单总线480s以上，产生Tx复位脉冲，然后主机释放总线，并进入Rx接收模式。当主机释放总线时，总线由低电平跳变为高电平时产生一上升沿，单总线器件现代电子技术（作业）4检测到这上升沿后，延时15~60s，接着单总线器件通过拉低总线60~240s产生应答脉冲。当主机接收到从机应答脉冲后，说明此时有单总线器件在线，然后主机就开始对从机进行ROM命令和功能命令的操作。在每一个写1、写0或读时序中，总线只能传输一位数据。所有的读写时序至少需要60s，且每两个独立的时序之间至少需要1s的恢复时间。读写时序均起始于主机拉低总线。在写时序中，主机拉低总线后保持至少60s的低电平则向单总线器件写0。单总线器件在主机发出读时序时才向主机传送数据，所以当主机向单总线器件发出数据命令后，必须马上产生读时序，以便单总线能传输数据。在主机发出读时序之后，单总线器件才开始在总线上发送0或1，若单总线器件发送1，则保持总线高电平；若发送0，则拉低总线。单总线器件发送数据之后，需保持有效的时间，因而，主机在读时序期间必须释放总线，并且必须在15s之内对总线状态进行采样，接收从机发送的数据。第1.4节单总线技术的器件为了区分不同的单总线器件，厂家在生产单总线器件时要刻录一个64位的二进制ROM代码，用于标明单总线器件的ID号。目前，单总线器件的主要有数字温度传感器（如1820DSB）、A/D转换器（如2450DS）门禁、身份识别器（如1990DSA）、单总线控制器（如DSIWM）等等。其中1820DSB数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式等。其型号多种多样，有8877LTM，8874LTM等等，主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的1820DSB可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。由于其耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域，目前有着广泛的应用，故我们选择1820DSB芯片来进行下面的设计。现代电子技术（作业）5第2章DS18B20简介第2.1节DS18B20的封装与管脚1820DSB芯片的常见封装为92TO，如图2.1所示，也就是普通直插三极管的样子。也有其他形式的封装，如图2.2所示的SO封装以及图2.3所示的SOP封装。各种封装的图示及引脚图如图2.12.3所示。图2.1TO-92封装图2.2SO封装图2.3μSOP封装第2.2节DS18B20内部结构1820DSB主要由4部分组成：64bit光刻ROM、温度敏感器件、高速暂存存储器和温度报警触发器TH、TL。光刻ROM中的64bit序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该1820DSB的地址序列码。64bit光刻ROM的排列是：开始8位28H是产品类型标号，接着的48位是该1820DSB自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码，可由下式得到：8541CRCXXX。光刻ROM的作用是使每一个1820DSB都各不相同，现代电子技术（作业）6这样就可以实现一根总线上挂接多个1820DSB的目的。64bit光刻ROM保存1820DSB芯片的唯一64bit的ROM编码。高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成。高速暂存存储器包含9个连续的字节，存放测得的温度的补码、TH和TL的拷贝数据、计数器余值和CRC校验等数据，其结构如图2.4所示。其中所有数据均以最低有效位在前的方式读写。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。对应的温度计算规则为：当符号位0S时，直接将二进制位转换为十进制；当1S时，先将补码变为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。第九个字节是冗余检验字节。图2.4DS18B20存储器由于1820DSB芯片可以工作在寄生电源模式下工作，该模式允许1820DSB工作在无外部电源的状态。当总线为高电平时，寄生电源由单总线通过VDD引脚，此时1820DSB可以从总线得到能量，并将得到的能量储存到寄生电源储能电容中，当总线为低电平时释放能量供给器件工作使用。简单的说就是在信号线为高电平的时间周期内，把能量储存在内部的电容器中；在信号线为低电平期间，由存储在电容器内的电荷供电。所以，当1820DSB工作在寄生电源模式时，VDD引脚必须接地。1820DSB工作时信号线须接4.75.1k的上拉电阻，以保证信号线有足够的驱动能力。一个典型的1820DSB硬件原理图如图2.5所示。现代电子技术（作业）7图2.5DS18B20硬件原理图如上图所示，1820DSB芯片通过达拉斯公司的单总线协议依靠一个单线端口通讯，当全部器件经由一个三态端口或者漏极开路端口与总线连接时，控制线需要连接一个弱上拉电阻。在多只1820DSB连接时，每个1820DSB都拥有一个全球唯一的64位序列号，在这个总线系统中，微处理器依靠每个器件独有的64位片序列号辨认总线上的器件并记录总线上的器件地址，从而允许多只1820DSB同时连接在一条单线总线上。因此，可以很轻松地利用一个微处理器去控制很多分布在不同区域的1820DSB，这一特性在环境控制、探测建筑物、仪器等温度以及过程监测和控制等方面都非常有用。对于1820DSB的电路连接，除了上面所说的传统的外部电源供电时的电路连接图，1820DSB也可以工作在上文所述的寄生电源模式中。图2.6表示了1820DSB工作在寄生电源模式下的硬件原理图。这样可以使1820DSB工作在寄生电源模式下，不用额外的电源就可以实时采集位于多个地点的温度信息。图2.6DS18B20寄生电源模式硬件原理图现代电子技术（作业）8第2.3节DS1820时序及工作方式1820DSB时序如图2.72.9所示，时序波形的电平