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 .1第 1 章 单总线技术 .2第 1.1 节 单总线技术简介 .2第 1.2 节 单总线技术的原理与硬件结构 .2第 1.3 节 单总线技术的信号方式 .3第 1.4 节 单总线技术的器件 .4第 2 章 DS18B20 简介 .5第 2.1 节 DS18B20 的封装与管脚 .5第 2.2 节 DS18B20 内部结构 .5第 2.3 节 DS1820 时序及工作方式 .8第 3 章 控制器设计 .11第 3.1 节 控制器结构 .11第 3.2 节 读写时序的实现 .11第 4 章 仿真与结论 .19课堂感悟与致谢 .20现代电子技术（作业）1前 言是美国达拉斯公司生产的一种单总线 数字温度传感器，采用1820DSB1wire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wire际生活中获得了广泛应用。本文介绍了 的基本原理和通信时序，并用软件820DSB模拟单总线时序，实现与 的通信。1820S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VHL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 为例，设计一个基于 的单总线控制器，1820SBVHDL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 是达拉斯半导体公司 推1 WireBus DALSEMICONDUTR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 的上拉电阻，这样当总线闲置时，状态为高电平。主4.7机和从机之间的通信通过以下三个步骤完成：初始化 器件，识别 器件，1wire1wire现代电子技术（作业）3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，因此主机访问 器件必须严格遵循单总线命令序列：初始化、 命令、功能命令。1wire ROM如果出现序列混乱， 器件则不会响应主机（搜索 命令，报警搜索命令1ire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 的上拉电阻，这样，5k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480s线器件在某些工作状态下（如温度转换期间、 写入等）具有足够的电源电EPROM流，必须在总线上提供强上拉源，如图 1.2 中所示的 。SFT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。 协议1wire定义了几种信号类型：复位脉冲、答应脉冲、写 、写 、读 和读 时序。所有的单010总线命令序列（初始化、 命令、功能命令）都是由这些基本的信号类型组成。ROM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，现代电子技术（作业）4主机通过拉低单总线 以上，产生 复位脉冲，然后主机释放总线，并进入480sTx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Rx总线器件检测到这上升沿后，延时 ，接着单总线器件通过拉低总线1560s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6024s在线，然后主机就开始对从机进行 命令和功能命令的操作。ROM在每一个写 、写 或读时序中，总线只能传输一位数据。所有的读写时序至少10需要 ，且每两个独立的时序之间至少需要 的恢复时间。读写时序均起始于60s 1s主机拉低总线。在写时序中，主机拉低总线后保持至少 的低电平则向单总线器60s件写 。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 或 ，若单总线器件发送 ，则保持总011线高电平；若发送 ，则拉低总线。单总线器件发送数据之后，需保持有效的时间，0因而，主机在读时序期间必须释放总线，并且必须在 之内对总线状态进行采样，5s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 位的二进64制 代码，用于标明单总线器件的 号。目前，单总线器件的主要有数字温度ROMID传感器（如 ）、 / 转换器（如 ）门禁、身份识别器（如1820DSBA2450S）、单总线控制器（如 ）等等。90AIWM其中 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 ，87LTM等等，主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的 可用于874LTM 120DSB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 芯片来进行下面的设计。1820DSB现代电子技术（作业）5第 2 章 DS18B20 简介第 2.1 节 DS18B20 的封装与管脚芯片的常见封装为 ，如图 2.1 所示，也就是普通直插三极管的1820DSB92TO样子。也有其他形式的封装，如图 2.2 所示的 封装以及图 2.3 所示的 封装。SSOP各种封装的图示及引脚图如图 2.1 2.3 所示。:图 2.1 TO-92 封装图 2.2 SO 封装图 2.3 SOP 封装第 2.2 节 DS18B20 内部结构主要由 部分组成： 光刻 、温度敏感器件、高速暂存存储1820DSB464 bitROM器和温度报警触发器 、 。THL光刻 中的 序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 的ROM6 bit 1820DSB地址序列码。 光刻 的排列是：开始 位 是产品类型标号，接着的4 R82H位是该 自身的序列号，最后 位是前面 位的循环冗余校验码，可由481820SB56下式得到： 。光刻 的作用是使每一个 都各不541CXROM1820S现代电子技术（作业）6相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 的目的。 光刻 保存1820DSB64 bitROM芯片的唯一 的 编码。1820DSB64 bitROM高速暂存存储器高速暂存存储器由 个字节组成。高速暂存存储器包含 个连续99的字节，存放测得的温度的补码、 和 的拷贝数据、计数器余值和 校验等THLC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 和第 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。01对应的温度计算规则为： 当符号位 时，直接将二进制位转换为十进制；当0S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S个字节是冗余检验字节。图 2.4 存储器DS18B20由于 芯片可以工作在寄生电源模式下工作，该模式允许 工作1820DSB 1820DSB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 引脚，此时V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 工作在寄生电源模式时， 引脚必须接地。1820DSBVD工作时信号线须接 的上拉电阻，以保证信号线有足够的驱1820DSB4.75 k:动能力。一个典型的 硬件原理图如图 2.5 所示。现代电子技术（作业）7图 2.5 硬件原理图DS18B20如上图所示， 芯片通过达拉斯公司的单总线协议依靠一个单线端口通1820SB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 连接时，每个 都拥有一个全球唯一的1820SB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 位片序列号辨64 64认总线上的器件并记录总线上的器件地址，从而允许多只 同时连接在一条D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，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1820DSB方面都非常有用。对于 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， 也可以工作在上文所述的寄生电源模式中。图 2.6 表示了 工1820S 1820DSB作在寄生电源模式下的硬件原理图。这样可以使 工作在寄生电源模式下，1820DSB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 2.6 寄生电源模式硬件原理图DS18B20现代电子技术（作业）8第 2.3 节 DS1820 时序及工作方式时序如图 2.7 2.9 所示，时序波形的电平分为 种类型：主机作用的1820DSB:3高低电平、由 输出的高低电平和由上拉电阻拉起的高电平（后 种情况主2机释放信号线）。 闲置时信号线保持高电平，对 的任何操作（如1820S 180DSB读、写、复位等）都是由主机对信号线的电平由逻辑高电平拉至低电平开始。图 2.7 复位时序复位时序是 工作的基础。任何设备与 间的通讯都需要以初始1820DSB1820DSB化序列开始。一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明 已经准备好发送和接收数据。在初始化序列期间，总线控制器拉低总线并保持 以发出一个复位脉冲，4s然后释放总线，进入接受状态。单总线由上