文档介绍：CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY
题目: 1-Wire数字温度传感器实验
学生姓名: 任耀华
学号: 200857050107
班级: 电子信息工程08-01班
专业: 电子信息工程
所在院系: 电气与信息工程学院
指导教师: 李鸿
1-Wire数字温度传感器实验
一、实验目的
1、熟悉掌握SOPC的基本流程。
2、掌握1-Wire总线工作原理。
3、掌握1-Wire总线工作原理。
4、进一步掌握PIO工作为双向模式时的用法。
二、实验设备
1、硬件:PC机,SOPC-NIOS II EDA/SOPC系统开发平台
2、软件:QuartusII 、SOPC Builder 、NiosII IDE 。
三、实验内容
与IIC接口一样,SOPC Builder中也没有1-Wire核,所以要实现该控制时序,一是采用FPGA硬件实现,而是通过软件控制PIO实现。本实验中将采用软件控制PIO的方式来模拟1-Wire控制器时序,通过CPU模拟的时序来读写DS18B20的当前温度,并通过数码管将温度显示出来。
四、实验原理
1-Wire通信顾名思义就是1线通信,也就是CPU是需要通过一条连接线,按照规定的协议,就可以完成和从设备之间的通信。1-Wire协议设计的最初(许多年以前)目标只是用于相邻器件之间的短距离通信——一种通过微处理器的一个端口增加辅助存储器的方法。实际应用中,客户很快就发明了许多独特的应用,其中包括扩展总线和从机器件与主控器之间的远距离通信。
Wire网络是器件、电缆和线路连接的复杂组合,每个网络在拓扑(布局)和硬件上通常都不相同,具体可以分为线形拓扑、树形拓扑和星形拓扑,如图1-1所示。
(a) 线形拓扑
树形拓扑
(c) 星形拓扑
图1-1 1-Wire总线的拓扑结构
开设本实验的目的是为了学****1-Wire总线协议,并非SOPC Builder提供的IP核,所以在硬件设计上也没有设计任何拓扑结构,就是直接将一个双向模式的PIO直接与1-Wire器件的信号引脚相连。本实验中用到的1-Wire器件是DS18B20——数字温度传感器,它可以提供9~12位(由软件配置)的数据,来表示不同的温度(位数越高,测量温度的精度也越高)。所有写入DS18B20的数据或从DS18B20读出的数据都是通过1-Wire接口来实现,因此硬件上只需要将FPGA的某个IO与DS18B20相连即可,并且整个读、写以及温度转换过程所需的电源,都可以由与其相连接的总线自动供给,无需外接电源。由于每个DS18B20都包含有一个唯一的序列号,因此多个DS18B20可以同时挂接在一个1-Wire总线上,这样就可以实现利用1-Wire读取多个不同位置温度的目的。归纳起来,DS18B20有如下特性:
采用1-Wire总线接口
支持多个器件同时连接在一个1-Wire总线上
无需外接任何元件,便可正常工作
支持零功耗掉电模式
测量温度范围为-55℃到+125℃(-67℉到+257℉)
测量范围在-10℃到+85℃之间可以达到±℃的误差
温度转换位数可配置为9到12位
转换成12位数据的时间仅750ms
支持用户自定义报警设置,且数据采用非挥发性介质存储
图14-2是DS18B20的功能框图。从图中可以看出它包含4个部分:64位
图1-2 DS18B20功能框图
ROM、温度传感器、非挥发温度报警触发单元以及一个配置寄存器。由于本实验仅仅读取温度,所以只对温度模块和配置模块作一些介绍。
DS18B20的核心功能模块就是一个直接数字式温度传感器,其数据转换位数为9~12位(具体位数可以配置,出厂默认设置为12位)。在CPU发送温度转换命令(0x44)后,DS18B20就开始进行新的温度转换,并将转换结果保存在一个16位的临时寄存器中,数据格式以16位有符号数的方式存放。通过1-Wire总线,CPU只需要发送读取温度命令(0xBE)后,便可以读取到该寄存器中的
数值,不过需要注意的是,1-Wire总线上的数据是最低位先被发送,最高位最后发送,并且DS18B20在上电复位的时候,该寄存器中存放的数值是+85℃。表1-1是该寄存器中的数据存储格式及其代表的温度值。
表1-1 温度数据存放格式及其与温度的对应关系
配置寄存器中包含了当前DS18B20的具体温度转换位数的信息,数据格式如表1-2所示。
表1-2 配置寄存器
上表中,第0~第4位实际没有用到,读出的时候永远为“1”;第7位也没有用到,读出的时候永远为“0”;R1 R0则代表了具体的转换位数,具体对应关系如表1-3所