基于FPGA的测温系统的设计.pdf

２０１１年９月内蒙古大学学报（自然科学版）Ｓｅｐｔ．２０１１
第４２卷第５期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．５

文章编号：１０００－１６３８（２０１１）０５－０５７６－０５

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基于ＦＰＧＡ的测温系统的设计

于京１，吕殿基２
（１．北京电子科技职业学院电信工程学院，北京１０００２９；
２．北京经济管理职业学院，北京１０００２９）

摘要
：介绍了单总线数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０的特性及工作原理，给出了由ＤＳ１８Ｂ２０与ＦＰ－
ＧＡ组成的测温系统的硬件电路和软件设计及提高测量精度的方法．通过对实际温度的测量
及与专用测温仪的比较，发现该系统具有数据准确、接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳
定可靠等特点．
关键词：数字式传感器；ＦＰＧＡ；测量精度；ＤＳ１８Ｂ２０
中图分类号：ＴＰ３３２；ＴＰ２１６文献标志码：Ａ

在传统的模拟信号温度测量系统中，存在引线误差补偿、多点测量切换误差和放大电路零点漂移
误差等技术问题，设计好的电路在更换传感器时，需对系统重新调试，一致性差．为了克服这些问题，
引入了美国Ｄａｌｌａｓ半导体公司１－Ｗｉｒｅ系列的高精度数字式温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０，ＤＳ１８Ｂ２０具有以
下特点：提供９～１２位精度的温度测量；电源供电范围为３．０Ｖ～５．５Ｖ；温度测量范围为－５５℃～
＋１２５℃，在－１０℃～＋８５℃范围内，测量精度是±０．５℃；增量值最小可为０．０６２５℃；将测量温度转
换为１２位的数字量最大需要７５０ｍｓ；ＤＳ１８Ｂ２０可采用信号线寄生供电，不需额外的外部供电；每个
ＤＳ１８Ｂ２０有唯一的６４位的序列码，这使得可以有多个ＤＳ１８Ｂ２０在一条单总线上工作．ＦＰＧＡ的特点
是直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，技术维
护简单，工作可靠性高．基于上述特点，在此提出了采用ＤＳ１８Ｂ２０与可编程逻辑器件ＦＰＧＡ来实现测
温系统的新方法，并且给出了提高ＤＳ１８Ｂ２０测量精度的方法，使ＤＳ１８Ｂ２０的９位分辨率时的测量精
度由０．５℃提高到０．１℃，实际测试证明该系统具有良好的一致性，兼容性和较高的准确性．

１数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０

１．１ＤＳ１８Ｂ２０的内部结构
ＤＳ１８Ｂ２０内部结构如图１，主要由四部分组成：６４位光刻ＲＯＭ、温度传感器、非挥发的温度报警
触发器ＴＨ和ＴＬ、配置寄存器．ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个
非易失性的可电擦除的Ｅ２ＲＡＭ，后者存放高温度和低温度触发器ＴＨ、ＴＬ和配置寄存器．暂存存储
器包含了９个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第１个字节的内容是温度的低八位，第２个
字节是温度的高八位．第３个和第４个字节是ＴＨ、ＴＬ的易失性拷贝，第５个字节是配置寄存器的易
失性拷贝．第６、７、８个字节用于内部计算．第９个字节是冗余检验字节．
ＤＳ１８Ｂ２０加电后，处在空闲状态．要启动温度测量和模数转换，处理器需向其发出ＣｏｎｖｅｒｔＴ
［４４ｈ］命令；转换完后，ＤＳ１８Ｂ２０回到空闲状态．温度数据以带符号位的１６位补码存储在温度寄存器

＊收稿日期：２０１１－０６－２１
基金项目：北京市教委科研基地资助项目（ＰＸＭ２０１０－０１４３０６－１０９８６８）
作者简介：于京（１９７１－），男，江苏金坛县人，副教授，硕士．Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]．
第５期于京，吕殿基基于ＦＰＧＡ的测温系统的设计７７５

中，如图２．

图１ＤＳ１８Ｂ２０内部结构图
Ｆｉｇ．１ＤＳ１８Ｂ２０ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ

图２温度寄存器格式
Ｆｉｇ．２Ｆｏｒｍａｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｇｉｓｔｅｒ
符号位说明温度是正值还是负值，正值时Ｓ＝０，负值时Ｓ＝１．表１给出了一些数字输出数据与对
应的温度值的例子．上电复位时温度寄存器的值是８５℃．
表１温度／数据的关系
Ｔａｂｌｅ１Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／ＤａｔａＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ

ＴＥＭＰＲＡＴＵＲＥＤＩＧＩＴＡＬＯＵＴＰＵＴ（Ｂｉｎａｒｙ）ＤＩＧＩＴＡＬＯＵＴＰＵＴ（Ｈｅｘ）
＋１２５℃０００００１１１１１０１０００００７Ｄ０ｈ
＋８５℃０００００１０１０１０１０００００５５０ｈ
＋２５．０６２５℃０００００００１１００１０００１０１９１ｈ
＋１０．１２５℃００００００００１０１０００１０００Ａ２ｈ
＋０．５℃００００００００００００１００００００８ｈ
＋０℃００００００００００００００００００００ｈ
－０．５℃１１１１１１１１１１１１１０００ＦＦＦ８ｈ
－１０．１２５℃１１１１１１１１０１０１１１１０ＦＦ５Ｅｈ
－２５．０６２５℃１１１１１１１