一种可移植的机顶盒SI模块的设计与实

    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，pcb抄板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。

    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，可以设定最低温度警告数值和最高温度警告数值，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最低温度和最高温度 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。

    2.2 软件编程设计

    本系统是连续实时采集温度的，所以需要有一个核心控制部分来实现对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。

    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。电路板抄板程序使用两 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。