摘要：分布式溫度采集系統(tǒng)大多采用單片機(jī)作為控制器，通過輪流讀取每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。當(dāng)要監(jiān)測(cè)的溫度點(diǎn)非常多時(shí)，系統(tǒng)顯然無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的效率和實(shí)時(shí)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(cè)點(diǎn)的溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

0 引言

溫度測(cè)量在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要的作用, 無(wú)論對(duì)于大型企業(yè)還是眾多的小型工廠, 往往需要監(jiān)測(cè)多個(gè)設(shè)備的幾十個(gè)溫度值[1]。在分布式溫度采集系統(tǒng)中，通常采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器，系統(tǒng)工作時(shí)依次采集每一個(gè)探測(cè)器的溫度值并存儲(chǔ)。如果監(jiān)測(cè)到某個(gè)探測(cè)點(diǎn)的溫度有異常，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)用戶的需要做出相應(yīng)的反映。然而，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量很多時(shí)，單片機(jī)輪流地采集完每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度值會(huì)花費(fèi)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，如果這個(gè)過程中有某個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度異常將不能實(shí)時(shí)地反映到系統(tǒng)中，使得溫度采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性降低。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是美國(guó)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(wàn)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(jī)作為控制器的系統(tǒng)相比，提高了系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)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(jiǎn)單、安裝方便、功耗低、測(cè)溫范圍寬而被廣泛的應(yīng)用于化工、糧食、環(huán)境監(jiān)測(cè)等需要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫的地方[3]；1-Wire 技術(shù)采用一根信號(hào)線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)控制器可以控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)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(jiǎn)單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。

由于 1-Wire 總線只有一根信號(hào)線，所以要完成通信就要在一根信號(hào)線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。1-Wire 通信協(xié)議對(duì)時(shí)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(shí)序，分別為初始化（復(fù)位）時(shí)序、寫“1”時(shí)序、寫“0”時(shí)序、讀“1”時(shí)序和讀“0”時(shí)序，如圖1 所示。所有通信都由這五種典型時(shí)序組合完成，就是說(shuō)要控制好這五種時(shí)序，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)1-Wire 器件的控制。

圖 1 單總線通信協(xié)議時(shí)序圖

2 實(shí)時(shí)分布式溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大多數(shù)基于DS18B20 的溫度采集系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器，可以監(jiān)測(cè)多個(gè)溫度點(diǎn)的溫度。雖然監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)目可以很多，但是卻無(wú)法做到同時(shí)對(duì)每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。原因在于單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間周期只能執(zhí)行一條指令，無(wú)法實(shí)現(xiàn)并行的動(dòng)作了。然而采用FPGA 作為控制器將大大提升溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，F(xiàn)PGA 的動(dòng)作是由時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)的，因此可以在同一時(shí)鐘可完成多個(gè)動(dòng)作。FPGA 可以并行地處理數(shù)據(jù)，這是單片機(jī)無(wú)法做到的。本文設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是利用了FPGA 的這個(gè)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

FPGA 選用Altera 公司主流Cyclone 系列高性價(jià)比的EP1C6Q240C8N。測(cè)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(gè)1-Wire 器件并實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制，但這樣卻無(wú)法同時(shí)對(duì)每一個(gè)1-Wire 器件實(shí)現(xiàn)控制。所以本系統(tǒng)的采集部分使每個(gè)DS18B20 都單獨(dú)享有一條總線，每條總線都與FPGA 的一個(gè)I/O 口相連。系統(tǒng)選用的FPGA 一共有240 個(gè)管腳，不算電源和配置管腳，可用的I/O 管腳達(dá)到了179 個(gè)，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(gè)DS18B20。

按鍵部分的設(shè)計(jì)提供人機(jī)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(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量值。顯示部分負(fù)責(zé)顯示每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)號(hào)和對(duì)應(yīng)的溫度值。FPGA 負(fù)責(zé)控制溫度的采集，并將每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度與設(shè)定好的最低溫度和最高溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，一旦某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度超標(biāo)將立刻發(fā)出警報(bào)提示。

圖2 測(cè)溫系統(tǒng)原理圖

2.2 軟件編程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是連續(xù)實(shí)時(shí)采集溫度的，所以需要有一個(gè)核心控制部分來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20 發(fā)送復(fù)位、溫度轉(zhuǎn)換和溫度讀取指令的功能?？刂撇糠植捎糜邢逘顟B(tài)機(jī)來(lái)實(shí)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(gè)轉(zhuǎn)移條件可以是一個(gè)定義的信號(hào)量，當(dāng)信號(hào)量的數(shù)值改變時(shí)，狀態(tài)機(jī)就通過信號(hào)量的數(shù)值來(lái)決定轉(zhuǎn)換到哪一個(gè)狀態(tài)。

根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)與溫度采集控制器的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以參照控制器的操作控制步來(lái)確定有限狀態(tài)機(jī)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(jī)的狀態(tài)都確定以后，便做出有限狀態(tài)機(jī)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(lái)用 VHDL 語(yǔ)言編寫描述有限狀態(tài)機(jī)功能的程序。程序使用兩個(gè)進(jìn)程來(lái)描述有限狀態(tài)機(jī)的功能：state_transfer 進(jìn)程用來(lái)描述有限狀態(tài)機(jī)中的次態(tài)邏輯和狀態(tài)寄存器，通過CASE 語(yǔ)句，根據(jù)次態(tài)邏輯值實(shí)現(xiàn)狀態(tài)值的改變；output_logic 進(jìn)程用來(lái)描述有限狀態(tài)機(jī)中的輸出邏輯，通過IF 語(yǔ)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(jī)控制DS18B20 的比較與討論

3.1 保證時(shí)序精確

單片機(jī)作為基于DS18B20 的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制器，用匯編語(yǔ)言編寫程序，很容易控制時(shí)間，因?yàn)槲覀冎烂織l語(yǔ)句的執(zhí)行時(shí)間，每段宏的執(zhí)行時(shí)間，每段子程序加調(diào)用語(yǔ)句所消耗的時(shí)間[5]。但是當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入中斷，時(shí)序的控制就無(wú)法保證精確。

如果用 FPGA 作為基于DS18B20 的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制器，在保證1-Wire 通信協(xié)議時(shí)序上就有足夠的把握。因?yàn)榭刂茣r(shí)序程序、顯示部分程序和人機(jī)交互程序等都在相互獨(dú)立的進(jìn)程上同時(shí)運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

3.2 查找序列號(hào)

單片機(jī)的管腳有限，所以要用單片機(jī)監(jiān)測(cè)多個(gè)溫度點(diǎn)時(shí)，就需要將多個(gè)DS18B20 掛在一條總線上。很顯然，序列號(hào)匹配工作需要額外的時(shí)間，而且在讀取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度值的過程中，其它的測(cè)溫點(diǎn)也都完成了測(cè)溫并等待讀取，這無(wú)疑降低了測(cè)溫的效率。

用 FPGA 代替單片機(jī)，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(gè)傳感器都單獨(dú)使用一根數(shù)據(jù)線。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)讀取每一個(gè)傳感器的溫度值，而且可以不用進(jìn)行序列號(hào)的匹配。大大提高了整個(gè)系統(tǒng)測(cè)溫的效率，維護(hù)更加方便快捷。

3.3 成本考慮

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

4 結(jié)論

使用FPGA 作為DS18B20 的控制器，可以保證時(shí)序上精確符合單總線通信協(xié)議，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)控制部分、顯示部分、人機(jī)交互部分可以并行地運(yùn)行互不干擾，提高了整體系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性；與用單片機(jī)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(diǎn)。

基于 FPGA 和DS18B20 的分布式溫度采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)溫度點(diǎn)，并無(wú)需知道每一個(gè)傳感器的序列號(hào)，大大提高了溫度采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。雖然基于FPGA的系統(tǒng)成本相對(duì)較高，但為分布式溫度采集實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)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.