基于FPGA 的实时分布式温度采集技术

　　摘要：分布式温度采集系统大多采用单片机作为控制器，通过轮流读取每个监测点的温度进行温度监测。当要监测的温度点非常多时，系统显然无法实时监测每一个监测点，降低了系统的效率和实时性。本文采用FPGA 作为分布式温度采集系统的控制器，并使用1-Wire 器件DS18B20 作为监测点的温度传感器，可以实时监测每个监测点，提高了系统的实时性和稳定性。

　　0 引言

　　温度测量在现代工业生产过程中发挥着重要的作用, 无论对于大型企业还是众多的小型工厂, 往往需要监测多个设备的几十个温度值[1]。在分布式温度采集系统中，通常采用单片机作为系统的控制器，系统工作时依次采集每一个探测器的温度值并存储。如果监测到某个探测点的温度有异常，系统就会根据用户的需要做出相应的反映。然而，当监测点数量很多时，单片机轮流地采集完每一个监测点的温度值会花费相对较长的时间，如果这个过程中有某个测量点温度异常将不能实时地反映到系统中，使得温度采集系统的实时性降低。

　　现场可编程门阵列（FPGA）是美国Xilinx 公司在20 世纪80 年代中期率先推出的一种高密度可编程逻辑器件，它既具有PLD 可编程的灵活性，又有掩膜门阵列（GA）高集成度和通用性，单片FPGA 的集成规模已达到几百万门，其工作频率已超过300MHz[2]。本文以FPGA 作为分布式温度采集系统的控制器，与以往利用单片机作为控制器的系统相比，提高了系统整体的实时性和稳定性。

　　1 温度传感器及其通信协议

　　本系统中温度传感器采用的MAXIM 公司的1-Wire 器件DS18B20，DS18B20 温度传感器由于其结构简单、安装方便、功耗低、测温范围宽而被广泛的应用于化工、粮食、环境监测等需要实现多点测温的地方[3]；1-Wire 技术采用一根信号线进行双向数据传输，一个控制器可以控制一个或多个从机设备，与其他标准串行数据通信方式如SPI、I2C 相比，单总线具有节省系统I/O 口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点[4]。

　　由于 1-Wire 总线只有一根信号线，所以要完成通信就要在一根信号线上实现数据的双向传输。1-Wire 通信协议对时序的要求非常严格，协议中一共规定了五种类型的通信时序，分别为初始化（复位）时序、写“1”时序、写“0”时序、读“1”时序和读“0”时序，如图1 所示。所有通信都由这五种典型时序组合完成，就是说要控制好这五种时序，才能实现对1-Wire 器件的控制。

　　图 1 单总线通信协议时序图

　　2 实时分布式温度采集系统设计

　　大多数基于DS18B20 的温度采集系统采用单片机作为控制器，可以监测多个温度点的温度。虽然监测点的数目可以很多，但是却无法做到同时对每一个监测点进行监测。原因在于单片机在一个时间周期只能执行一条指令，无法实现并行的动作了。然而采用FPGA 作为控制器将大大提升温度监测系统的实时性，FPGA 的动作是由时钟来驱动的，因此可以在同一时钟可完成多个动作。FPGA 可以并行地处理数据，这是单片机无法做到的。本文设计的温度监测系统就是利用了FPGA 的这个优势，实现了对多个监测点实时进行监测。

　　2.1 系统硬件设计

　　FPGA 选用Altera 公司主流Cyclone 系列高性价比的EP1C6Q240C8N。测温系统的原理图如图2 所示，由FPGA、显示部分、按键部分和采集部分组成。虽然单总线允许在总线上挂载多个1-Wire 器件并实现多点控制，但这样却无法同时对每一个1-Wire 器件实现控制。所以本系统的采集部分使每个DS18B20 都单独享有一条总线，每条总线都与FPGA 的一个I/O 口相连。系统选用的FPGA 一共有240 个管脚，不算电源和配置管脚，可用的I/O 管脚达到了179 个，除去显示和按键部分所用去的I/O 管脚，理论上还可以挂载上百个DS18B20。

　　按键部分的设计提供人机交互，可以设定温度警告数值和温度警告数值，通过按键可以浏览每一个温度点的测量值。显示部分负责显示每一个测量点的标号和对应的温度值。FPGA 负责控制温度的采集，并将每一个测量点的温度与设定好的温度和温度进行实时比较，一旦某监测点的温度超标将立刻发出警报提示。

　　图2 测温系统原理图

　　2.2 软件编程设计

　　本系统是连续实时采集温度的，所以需要有一个控制部分来实现对DS18B20 发送复位、温度转换和温度读取指令的功能。控制部分采用有限状态机来实现，状态与状态之间的转换需要一定的转移条件，这个转移条件可以是一个定义的信号量，当信号量的数值改变时，状态机就通过信号量的数值来决定转换到哪一个状态。

　　根据有限状态机与温度采集控制器的对应关系，可以参照控制器的操作控制步来确定有限状态机的状态。设发送复位指令的状态值为“000”，发送跳过ROM 指令的状态值为“001”，发送转换温度指令的状态值为“011”，发送读取暂存指令的状态值为“101”，读取温度数据的状态值为“100”。状态机的状态都确定以后，便做出有限状态机状态转移图，如图3 所示。

　　图 3 温度采集控制部分的MDS 图

　　根据以上的分析，接下来用 VHDL 语言编写描述有限状态机功能的程序。程序使用两个进程来描述有限状态机的功能：state_transfer 进程用来描述有限状态机中的次态逻辑和状态寄存器，通过CASE 语句，根据次态逻辑值实现状态值的改变；output_logic 进程用来描述有限状态机中的输出逻辑，通过IF 语句判断状态值，然后转入相应的指令程序。

　　3 基于FPGA 与基于单片机控制DS18B20 的比较与讨论

　　3.1 保证时序

　　单片机作为基于DS18B20 的温度监测系统的控制器，用汇编语言编写程序，很容易控制时间，因为我们知道每条语句的执行时间，每段宏的执行时间，每段子程序加调用语句所消耗的时间[5]。但是当系统进入中断，时序的控制就无法保证。

　　如果用 FPGA 作为基于DS18B20 的温度监测系统的控制器，在保证1-Wire 通信协议时序上就有足够的把握。因为控制时序程序、显示部分程序和人机交互程序等都在相互独立的进程上同时运行，保证了系统的实时性和可靠性。

　　3.2 查找序列号

　　单片机的管脚有限，所以要用单片机监测多个温度点时，就需要将多个DS18B20 挂在一条总线上。很显然，序列号匹配工作需要额外的时间，而且在读取一个测温点温度值的过程中，其它的测温点也都完成了测温并等待读取，这无疑降低了测温的效率。

　　用 FPGA 代替单片机，以上问题就不存在了。首先FPGA 具有丰富的管脚资源，可以让每个传感器都单独使用一根数据线。这样不但可以实现同时读取每一个传感器的温度值，而且可以不用进行序列号的匹配。大大提高了整个系统测温的效率，维护更加方便快捷。

　　3.3 成本考虑

　　单片机技术如今已经非常成熟，应用领域也非常广泛，价钱也非常便宜，普通的型号价格在1 美元左右，端的型号也只有10 美元。因此用单片机作为控制器，整体系统的成本相对较低。虽然FPGA 如今也已经得到了广泛的普及，但是价格还是相对较高，因此用FPGA 作为系统的控制器，成本就相对高一些。

　　4 结论

　　使用FPGA 作为DS18B20 的控制器，可以保证时序上符合单总线通信协议，系统运行时控制部分、显示部分、人机交互部分可以并行地运行互不干扰，提高了整体系统的实时性与稳定性；与用单片机作为控制器的系统做出比较，分析了两者作为控制器的优缺点。

　　基于 FPGA 和DS18B20 的分布式温度采集系统，可实现同时监测多个温度点，并无需知道每一个传感器的序列号，大大提高了温度采集系统的实时性和可靠性。虽然基于FPGA的系统成本相对较高，但为分布式温度采集实时性要求较高的应用场合提出了解决办法。

  

参考文献:

[1]. DS18B20  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DS18B20+_819975.html.
[2]. MAXIM  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAXIM+_1062568.html.
[3]. EP1C6Q240C8N datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EP1C6Q240C8N_2527943.html.
[4]. ROM  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM+_1188413.html.