摘要：分布式溫度采集系統(tǒng)大多采用單片機作為控制器，通過輪流讀取每個監(jiān)測點的溫度進(jìn)行溫度監(jiān)測。當(dāng)要監(jiān)測的溫度點非常多時，系統(tǒng)顯然無法實時監(jiān)測每一個監(jiān)測點，降低了系統(tǒng)的效率和實時性。本文采用FPGA 作為分布式溫度采集系統(tǒng)的控制器，并使用1-Wire 器件DS18B20 作為監(jiān)測點的溫度傳感器，可以實時監(jiān)測每個監(jiān)測點，提高了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

0 引言

溫度測量在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要的作用, 無論對于大型企業(yè)還是眾多的小型工廠, 往往需要監(jiān)測多個設(shè)備的幾十個溫度值[1]。在分布式溫度采集系統(tǒng)中，通常采用單片機作為系統(tǒng)的控制器，系統(tǒng)工作時依次采集每一個探測器的溫度值并存儲。如果監(jiān)測到某個探測點的溫度有異常，系統(tǒng)就會根據(jù)用戶的需要做出相應(yīng)的反映。然而，當(dāng)監(jiān)測點數(shù)量很多時，單片機輪流地采集完每一個監(jiān)測點的溫度值會花費相對較長的時間，如果這個過程中有某個測量點溫度異常將不能實時地反映到系統(tǒng)中，使得溫度采集系統(tǒng)的實時性降低。

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是美國Xilinx 公司在20 世紀(jì)80 年代中期率先推出的一種高密度可編程邏輯器件，它既具有PLD 可編程的靈活性，又有掩膜門陣列（GA）高集成度和通用性，單片F(xiàn)PGA 的集成規(guī)模已達(dá)到幾百萬門，其工作頻率已超過300MHz[2]。本文以FPGA 作為分布式溫度采集系統(tǒng)的控制器，與以往利用單片機作為控制器的系統(tǒng)相比，提高了系統(tǒng)整體的實時性和穩(wěn)定性。

1 溫度傳感器及其通信協(xié)議

本系統(tǒng)中溫度傳感器采用的MAXIM 公司的1-Wire 器件DS18B20，DS18B20 溫度傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、功耗低、測溫范圍寬而被廣泛的應(yīng)用于化工、糧食、環(huán)境監(jiān)測等需要實現(xiàn)多點測溫的地方[3]；1-Wire 技術(shù)采用一根信號線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，一個控制器可以控制一個或多個從機設(shè)備，與其他標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式如SPI、I2C 相比，單總線具有節(jié)省系統(tǒng)I/O 口線資源、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護(hù)等諸多優(yōu)點[4]。

由于 1-Wire 總線只有一根信號線，所以要完成通信就要在一根信號線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。1-Wire 通信協(xié)議對時序的要求非常嚴(yán)格，協(xié)議中一共規(guī)定了五種類型的通信時序，分別為初始化（復(fù)位）時序、寫“1”時序、寫“0”時序、讀“1”時序和讀“0”時序，如圖1 所示。所有通信都由這五種典型時序組合完成，就是說要控制好這五種時序，才能實現(xiàn)對1-Wire 器件的控制。

圖 1 單總線通信協(xié)議時序圖

2 實時分布式溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

大多數(shù)基于DS18B20 的溫度采集系統(tǒng)采用單片機作為控制器，可以監(jiān)測多個溫度點的溫度。雖然監(jiān)測點的數(shù)目可以很多，但是卻無法做到同時對每一個監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測。原因在于單片機在一個時間周期只能執(zhí)行一條指令，無法實現(xiàn)并行的動作了。然而采用FPGA 作為控制器將大大提升溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實時性，F(xiàn)PGA 的動作是由時鐘來驅(qū)動的，因此可以在同一時鐘可完成多個動作。FPGA 可以并行地處理數(shù)據(jù)，這是單片機無法做到的。本文設(shè)計的溫度監(jiān)測系統(tǒng)就是利用了FPGA 的這個優(yōu)勢，實現(xiàn)了對多個監(jiān)測點實時進(jìn)行監(jiān)測。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

FPGA 選用Altera 公司主流Cyclone 系列高性價比的EP1C6Q240C8N。測溫系統(tǒng)的原理圖如圖2 所示，由FPGA、顯示部分、按鍵部分和采集部分組成。雖然單總線允許在總線上掛載多個1-Wire 器件并實現(xiàn)多點控制，但這樣卻無法同時對每一個1-Wire 器件實現(xiàn)控制。所以本系統(tǒng)的采集部分使每個DS18B20 都單獨享有一條總線，每條總線都與FPGA 的一個I/O 口相連。系統(tǒng)選用的FPGA 一共有240 個管腳，不算電源和配置管腳，可用的I/O 管腳達(dá)到了179 個，除去顯示和按鍵部分所用去的I/O 管腳，理論上還可以掛載上百個DS18B20。

按鍵部分的設(shè)計提供人機交互，可以設(shè)定最低溫度警告數(shù)值和最高溫度警告數(shù)值，通過按鍵可以瀏覽每一個溫度點的測量值。顯示部分負(fù)責(zé)顯示每一個測量點的標(biāo)號和對應(yīng)的溫度值。FPGA 負(fù)責(zé)控制溫度的采集，并將每一個測量點的溫度與設(shè)定好的最低溫度和最高溫度進(jìn)行實時比較，一旦某監(jiān)測點的溫度超標(biāo)將立刻發(fā)出警報提示。

圖2 測溫系統(tǒng)原理圖

2.2 軟件編程設(shè)計

本系統(tǒng)是連續(xù)實時采集溫度的，所以需要有一個核心控制部分來實現(xiàn)對DS18B20 發(fā)送復(fù)位、溫度轉(zhuǎn)換和溫度讀取指令的功能。控制部分采用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)，狀態(tài)與狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要一定的轉(zhuǎn)移條件，這個轉(zhuǎn)移條件可以是一個定義的信號量，當(dāng)信號量的數(shù)值改變時，狀態(tài)機就通過信號量的數(shù)值來決定轉(zhuǎn)換到哪一個狀態(tài)。

根據(jù)有限狀態(tài)機與溫度采集控制器的對應(yīng)關(guān)系，可以參照控制器的操作控制步來確定有限狀態(tài)機的狀態(tài)。設(shè)發(fā)送復(fù)位指令的狀態(tài)值為“000”，發(fā)送跳過ROM 指令的狀態(tài)值為“001”，發(fā)送轉(zhuǎn)換溫度指令的狀態(tài)值為“011”，發(fā)送讀取暫存指令的狀態(tài)值為“101”，讀取溫度數(shù)據(jù)的狀態(tài)值為“100”。狀態(tài)機的狀態(tài)都確定以后，便做出有限狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖3 所示。

圖 3 溫度采集控制部分的MDS 圖

根據(jù)以上的分析，接下來用 VHDL 語言編寫描述有限狀態(tài)機功能的程序。程序使用兩個進(jìn)程來描述有限狀態(tài)機的功能：state_transfer 進(jìn)程用來描述有限狀態(tài)機中的次態(tài)邏輯和狀態(tài)寄存器，通過CASE 語句，根據(jù)次態(tài)邏輯值實現(xiàn)狀態(tài)值的改變；output_logic 進(jìn)程用來描述有限狀態(tài)機中的輸出邏輯，通過IF 語句判斷狀態(tài)值，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的指令程序。

3 基于FPGA 與基于單片機控制DS18B20 的比較與討論

3.1 保證時序精確

單片機作為基于DS18B20 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的控制器，用匯編語言編寫程序，很容易控制時間，因為我們知道每條語句的執(zhí)行時間，每段宏的執(zhí)行時間，每段子程序加調(diào)用語句所消耗的時間[5]。但是當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入中斷，時序的控制就無法保證精確。

如果用 FPGA 作為基于DS18B20 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的控制器，在保證1-Wire 通信協(xié)議時序上就有足夠的把握。因為控制時序程序、顯示部分程序和人機交互程序等都在相互獨立的進(jìn)程上同時運行，保證了系統(tǒng)的實時性和可靠性。

3.2 查找序列號

單片機的管腳有限，所以要用單片機監(jiān)測多個溫度點時，就需要將多個DS18B20 掛在一條總線上。很顯然，序列號匹配工作需要額外的時間，而且在讀取一個測溫點溫度值的過程中，其它的測溫點也都完成了測溫并等待讀取，這無疑降低了測溫的效率。

用 FPGA 代替單片機，以上問題就不存在了。首先FPGA 具有豐富的管腳資源，可以讓每個傳感器都單獨使用一根數(shù)據(jù)線。這樣不但可以實現(xiàn)同時讀取每一個傳感器的溫度值，而且可以不用進(jìn)行序列號的匹配。大大提高了整個系統(tǒng)測溫的效率，維護(hù)更加方便快捷。

3.3 成本考慮

單片機技術(shù)如今已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，價錢也非常便宜，普通的型號價格在1 美元左右，最高端的型號也只有10 美元。因此用單片機作為控制器，整體系統(tǒng)的成本相對較低。雖然FPGA 如今也已經(jīng)得到了廣泛的普及，但是價格還是相對較高，因此用FPGA 作為系統(tǒng)的控制器，成本就相對高一些。

4 結(jié)論

使用FPGA 作為DS18B20 的控制器，可以保證時序上精確符合單總線通信協(xié)議，系統(tǒng)運行時控制部分、顯示部分、人機交互部分可以并行地運行互不干擾，提高了整體系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性；與用單片機作為控制器的系統(tǒng)做出比較，分析了兩者作為控制器的優(yōu)缺點。

基于 FPGA 和DS18B20 的分布式溫度采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)同時監(jiān)測多個溫度點，并無需知道每一個傳感器的序列號，大大提高了溫度采集系統(tǒng)的實時性和可靠性。雖然基于FPGA的系統(tǒng)成本相對較高，但為分布式溫度采集實時性要求較高的應(yīng)用場合提出了解決辦法。

[1].DS18B20 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DS18B20+_819975.html.
[2].MAXIM datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAXIM+_1062568.html.
[3].EP1C6Q240C8Ndatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EP1C6Q240C8N_2527943.html.
[4].ROM datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ROM+_1188413.html.