溫度檢測(cè)與顯示的設(shè)計(jì)仿真

范小燁

摘要：I2C總線協(xié)議是由Phlips公司研發(fā)并推行的一款高性能的串行總線。它具有多主機(jī)系統(tǒng)總線仲裁功能和高速設(shè)備與低速設(shè)備的同步功能。本篇文章的設(shè)計(jì)應(yīng)用I2C串口協(xié)議對(duì)溫度感應(yīng)芯片LM75A進(jìn)行正確的讀寫(xiě)控制。以quartus 2為平臺(tái)進(jìn)行仿真，利用LB0學(xué)習(xí)板上的溫度傳感器LM75A和LED顯示器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)的控制電路，讀出當(dāng)前溫度信息。

關(guān)鍵詞：I2C總線協(xié)議；quartus 2；溫度檢測(cè)；

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）27-6536-03

Abstract：I2C bus protocol was developed and implemented by the company Phlips a high-performance serial bus. It has a multi-master system bus arbitration function devices and high-speed and low-speed device synchronization. This article is designed to use I2C serial protocol LM75A temperature sensor chip to read and write properly controlled. In quartus 2 simulation platform， using temperature sensors LM75A LB0 learning and LED display board， design temperature detection control circuit reads the current temperature information.

Key words： I2C； quartus 2； temperature detection

通信協(xié)議是一種通信雙方必須服從的約定，其中包括的一系列問(wèn)題有：數(shù)據(jù)格式的傳輸，同步模式，傳輸速率，傳輸程序，錯(cuò)誤檢測(cè)和校正模式，控制字符定義等。根據(jù)同步方式的不同分為同步協(xié)議和異步協(xié)議。串口通信是指主機(jī)和從機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊的形式。它通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線、地線和控制線等實(shí)現(xiàn)。這類通信方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)線少，能夠使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，在遠(yuǎn)距離傳輸中可以降低開(kāi)銷，提高系統(tǒng)可靠性。缺點(diǎn)是傳輸速度沒(méi)有并行傳輸快。

在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的串行通信總線有： I2C總線、SPI總線和Microwire/PLUS。該文只針對(duì)I2C串行通信總線進(jìn)行討論。

I2C串行通信總線是負(fù)責(zé)微控制器和外設(shè)電路之間的通信連接的高性能串口通信協(xié)議。

本文溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)所用溫度芯片LM75A 是一個(gè)集成了帶隙溫度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溫度檢測(cè)芯片，可以直接輸出當(dāng)前環(huán)境溫度的11位二進(jìn)制值。該芯片可以提供過(guò)熱檢測(cè)輸出。溫度檢測(cè)在日常生活中有非常廣泛的應(yīng)用，例如火災(zāi)報(bào)警，家用電器過(guò)熱檢測(cè)等等，簡(jiǎn)單的溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)可以為我們的生活帶來(lái)極大的方便，保護(hù)我們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 I2C串行總線

1.1概述

PHILIPS公司從改善硬件工作效率的角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種用于內(nèi)部IC控制的簡(jiǎn)單雙向兩線串行總線I2C。支持任何一種IC制造工藝，并且具有品種眾多的I2C可兼容芯片。強(qiáng)大的兼容性和可用性讓該通信總線成為世界工業(yè)化的重要成員。兩根雙向信號(hào)線（數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL）組成了I2C總線。

接收器收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后只要將SCL時(shí)鐘線置為低，就可以使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)，并且利用這段時(shí)間去完成一些必須的工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等。完成其他工作后釋放SCL線接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的工作。

2 數(shù)據(jù)的傳送格式

1） 字節(jié)傳送不應(yīng)答：在數(shù)據(jù)傳輸中，每個(gè)字節(jié)必須是8位，每個(gè)字節(jié)應(yīng)該由對(duì)方反饋一個(gè)ACK信號(hào)代表對(duì)方在線。非應(yīng)答信號(hào)正常情況下出現(xiàn)在所有字節(jié)的最后。這些一般會(huì)在通信雙方約定的通信協(xié)議中規(guī)定。需要注意的是SCL必須由主機(jī)發(fā)送，否則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。

2） 數(shù)據(jù)幀格式：I2C總線上傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)和地址信號(hào)。第一個(gè)字節(jié)是"片選信號(hào)"，由7位從機(jī)地址加1位方向控制位組成。從機(jī)接收到自己的地址時(shí)才可以發(fā)送應(yīng)答信號(hào)且必須應(yīng)答主機(jī)以表示自己在線可以進(jìn)行通信。此時(shí)其他地址的從機(jī)不被允許通信。如果主機(jī)發(fā)起的是群呼時(shí)，外圍從機(jī)設(shè)備不能發(fā)送數(shù)據(jù)。

其中傳送方向的“讀寫(xiě)”是站在主機(jī)的立場(chǎng)上定義的。“讀”是主機(jī)收到從機(jī)的數(shù)據(jù)，“寫(xiě)”是主機(jī)對(duì)從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3） 總線的尋址：I2C總線通信協(xié)議中規(guī)定采用尋址字節(jié)為7位（即起始信號(hào)后的第一個(gè)字節(jié)）。 從地址的可編程部分確定總線最多可以訪問(wèn)設(shè)備目。7位的I2C總線可以連接127個(gè)不同地址的外圍設(shè)備進(jìn)行通信，其中0號(hào)是群呼的地址。

2 LM75A溫度芯片

2.1 概述

LM75A 溫度檢測(cè)芯片有3位用戶可選的邏輯地址，所以同一通信總線上可以不發(fā)生地址沖突的同時(shí)連接8個(gè)器件進(jìn)行通信。

溫度寄存器用來(lái)實(shí)現(xiàn)0.125℃一個(gè)跳度的溫度變化精度是一個(gè) 11 位的二進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)碼。芯片裝置正常接通電源時(shí)，操作系統(tǒng)為比較模型的工作方式，起始溫度為80℃，75℃滯后。在這個(gè)時(shí)候，LM75A芯片就可以當(dāng)做一個(gè)能獨(dú)立使用的溫度控制器件，其溫度臨界值就是上述的預(yù)定義溫度設(shè)定點(diǎn)。

2.2 功能特點(diǎn)

LM75A芯片最大的特點(diǎn)就是可以將檢測(cè)到的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，設(shè)計(jì)者可以直接讀取數(shù)字信息。而且可以對(duì)預(yù)定義的溫度進(jìn)行反應(yīng)，可對(duì)溫度臨界值進(jìn)行編程設(shè)置。

除此之外，該芯片低功耗，輸出數(shù)據(jù)精度達(dá)到0.125，符合一般的設(shè)計(jì)要求。

2.3 OS輸出與I2C接口

溫度值將被存入芯片的寄存器Temp 中。I2C 總線可以隨時(shí)隨地根據(jù)主機(jī)運(yùn)行需要從 Temp 寄存器中讀取11位二進(jìn)制的溫度數(shù)值。并且溫度的讀取不影響模＼數(shù)轉(zhuǎn)換操作的進(jìn)行。在正常工作模式下，溫度值得模數(shù)轉(zhuǎn)換每隔100ms 進(jìn)行一次，并且每一次的轉(zhuǎn)換都會(huì)更新寄存器的值。在關(guān)中斷工作模式下，器件進(jìn)入空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)不進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是I2C 接口仍然有效，即temp中的數(shù)值可以被讀取。

3 電路設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

用I2C串口通信協(xié)議編寫(xiě)程序讀取LM75A的溫度寄存器TEMP中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)FPGA顯示在數(shù)碼管上。該程序是如前所述，默認(rèn)設(shè)備在正常工作模式下，F(xiàn)PGA器件先發(fā)送“10100010”末位的0代表寫(xiě)數(shù)據(jù)，然后為字地址也就是寄存器指針地址00H”，然后再發(fā)送設(shè)備地址“10100011”末位代表讀，兩個(gè)連續(xù)讀之后，屏蔽無(wú)效位數(shù)碼管顯示溫度。。需要注意的是在inout口讀數(shù)據(jù)之前，一定要設(shè)為三態(tài)釋放總線，然后才能讀出數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)證明，通過(guò)I2C串口通信協(xié)議可以完成許多外圍設(shè)備芯片的功能組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)靈活性。在本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加入比較器，蜂鳴器等簡(jiǎn)單的原件功能即可以在FPGA上開(kāi)發(fā)出溫度報(bào)警器，過(guò)熱檢測(cè)裝置等可以應(yīng)用于實(shí)際生活中的各種器件。

本設(shè)計(jì)及仿真很好的完成了設(shè)計(jì)的目的和既定要求，并作為I2C串口通信協(xié)議的基礎(chǔ)應(yīng)用，為更高級(jí)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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