本篇主要討論基于FPGA的溫度傳感器（ds18b20）驅動設計---第一版

設計實現：利用FPGA驅動DS18b20，讀取到溫度數值顯示到數碼管上。

首先介紹DS18b20。

DS18B20是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

DS18B20 數字溫度計提供 9-12位攝氏溫度測量（9-12位是測量精度），它的測溫范圍為-55～＋125℃。

可編程的分辨率為9-12位，對應的分辨率溫度分別為0.5度、0.25度、0.125度、0.0625度。 測量溫度是需要轉換時間的（將外界的問題轉換為數字量），9bit的精度需要最大93.75ms；10bit的精度需要最大187.5ms；11bit的精度需要最大375ms；12bit的精度需要最大750ms。 上電后，默認的精度為12位，我們一般也采用這個精度。如果覺得這個轉換時間較長，可以考慮配置為其他的精度。

每個DS18B20都有一個獨特的64位序列號，從而允許多只 DS18B20同時連在一根單線總線上；因此很簡單就可以用一個微控制器去控制很多覆蓋在一大片區域的DS18B20。這一特性在HVAC環境控制、探測建筑物、儀器或機器的溫度以及過程監測和控制等方面非常有用。

通過上述實物圖可以看到，DS18B20有三個管腳，VDD（電源管腳），DQ（數據線），GND（地線）。 在使用時，也可以不通過VDD供電，而采用DQ供電（此種模式在此不再介紹）。 在平常使用時，VDD接電源3V~5V，GND接地，DQ上面需要接一個上拉電阻（阻值通常為4.7K，或者10K），DQ就是進行通信的數據線（單數據總線）。 了解了使用的電路特性后，就得琢磨一下，如何利用一個數據線DQ來進行控制這個溫度傳感器。 下圖是DS18B20的框圖：

64bit的rom中的數值時固定的。高八位為：28h（表示為DS18b20）；后續的48位為：芯片的序列號（每一個DS18B20都不相同）；最后八位：前面56位的CRC校驗序列。 DS18B20支持在一個總線上面加載多個DS18B20，那么此時就需要獲取每一個DS18B20的ROM，這樣就可以精準的控制每一個器件了。 在此我們不對在一個總線上加載多個DS18B20的情況，只討論加載一個DS18B20的情況。 讀取ROM的64bit的命令為33H，后面跟著讀取64bit，就是器件的ROM值（只能用在總線上只有一個器件的情況）。 匹配ROM的命令為55H，后面跟著寫入64bit數據，只有和這64bit的數據相同的器件才會開始工作。 跳過ROM的命令為CCH，接收到這個命令的器件，不需要匹配就可以直接工作（只能用在總線上只有一個器件的情況）。 在此我們不做多器件的情況，所以可以直接發送跳過ROM的命令。 DS18B20的測溫是需要被通知的，也就說我們需要給器件發送一個開始測溫的命令，他才會開始測量溫度，并且轉換稱為數字信號（16bit的有符號數）。 分頻率為12位，使用16bit后面的12位（11：0）。 分頻率為11位，則16bit的最后一個bit不使用(11:1)。 ······

上圖為默認精度(12bit、0.0625度)，如果第12位為0，表示為正溫度，測量出來的數據乘以0.0625就可以了。如果第12為1，表示為負溫度，則需要將測量出來的數據減去1，然后所有位取反，得到的結果再乘以0.0625度。上述的表示方式就是有符號數在數字電路中的表示形式。 16bit的數字信息存儲在內部暫存器中，占用兩個字節（在0、1字節）。

測溫的命令為44H。 暫存器的第四個4字節就是配置分辨率的寄存器。

TM設置為0即可；

可以通過配置這個寄存器的值，來配置我們想要的分辨率。在此，我將不配置此寄存器，使用默認分辨率12bit。 寫入暫存器的命令為4EH，后面跟著寫入3個字節的數據，這三個字節寫入到暫存器的2、3、4的位置。 讀出暫存器的命令為BEH，后面跟著讀出N個字節的數據，如果只是想讀取溫度，那么只需要讀出兩個字節的數據就可以了。 基本的命令差不多都介紹完事了，那么下面開始介紹時序。 首先：在發送命令之前，器件要求必須要被初始化。時序如下：

控制器需要拉低DQ，至少保持480us（最大不超過960us，建議：600us），然后釋放總線控制（由于DQ被上拉，所以會被拉成高電平）。如果器件存在并且可以正常工作，器件會拉低DQ一段時間60-240us。 所以建議：控制器拉低DQ960us，釋放總線控制，檢測DQ是否還會拉低。主機從釋放總線控制開始，要等待600us的時間去檢測DQ是否拉低，如果有拉低則證明器件存在并且可以工作，如果沒有拉低，則證明器件不存在或者不可以工作。 證明器件存在并且可以工作后，我們就可以向器件發送命令了。 發送命令和和數據以低位優先。 發送1bit的時序為：

如果控制器想要發送1bit0，那么直接拉低DQ100us即可，然后釋放總線；如果控制器想要發送1bit1，那么拉低DQ5us，然后釋放總線即可。無論是寫0，還是寫1，建議每一bit的時長110us。 讀取命令和數據以低位優先。 讀取1bit的時序為：

如果控制器想要讀取的話，那么拉低DQ5us的時間，釋放總線，在10us時，讀取總線的電平值即可獲得讀取值。建議每一bit的時長110us。 實現DS18B20的驅動主要有三步： 第一步：初始化DS18B20； 第二步：ROM命令（緊跟任何數據交換請求）； 第三步：DS18B20功能命令（緊跟任何數據交換請求）； 所以我們上電后，工作的過程如下： 初始化、發送跳過ROM命令 、發送轉換溫度命令；等待750ms；初始化、發送跳過ROM命令、發送讀取暫存器的命令、讀取兩個字節的數據。不斷重復以上的過程即可。 上面的工作方式模式為：總線上是一個器件、分辨率為默認的12bit、沒有匹配ROM。 DS18B20一般會制作到一個板卡上面，下面是筆者自制的板卡；

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設計實現：利用FPGA驅動DS18b20，讀取到溫度數值顯示到數碼管上。

1. 溫度傳感器為DS18B20。

2. 總線上只有一個器件、溫度分辨率為12bit（默認）、跳過ROM指令。

3. 將溫度顯示到數碼管上。

4. 溫度精確到小數點后2位。

5. 數碼管共計6個，最前面顯示是否為負溫度（不顯示為正溫度，顯示一橫杠為負溫度）。

6. 數碼管共計6個，后面五個顯示溫度，前面三個顯示整數、后面兩個顯示小數。

7. 數碼管共計6個，整數與小數中間點亮小數點。

8. 利用LED顯示是否初始化成功，LED點亮表示初始化成功，LED熄滅表示初始化失敗。

使用平臺：本次設計應用Altera的平臺設計（芯片：EP4CE10F17C8）、使用的DS18B20板卡為市面上常見的，如果沒有的同學，可以聯系筆者購買。

開發軟件：quartus 18.0

開發語言：Verilog HDL

作者QQ：746833924

說明：本篇設計中不涉及到ip電路，如果在其他平臺，rtl代碼依然可以適用，當其他板卡電路不同時，會導致不同的現象出現，如有需要修改代碼請聯系作者；如需作者使用的板卡，請聯系作者；

設計思想如下：

ds18b20_drive模塊的功能為驅動ds18b20，獲取溫度，并且輸出符號和溫度的BCD碼；seven_tube_drive模塊的功能將符號和溫度的BCD碼輸出，并且在右側第三個數碼管點亮小數點用以區分整數和小數。 ds18b20_drive模塊采用狀態機的方式實現。 讀取到溫度信息后，轉換為BCD碼輸出； 首先判斷溫度的正負性，然后計算它的絕對值。 絕對值要乘以0.0625，此時乘以625，相當于擴大了10000倍，然后除以100，則表示擴大了100倍（因為我們需要保留兩位小數 ，正好擴大100倍使小數都變成了整數）。

  if(data_r[12] ==1'b1) begin
     temp_sign <= 4'he;
? ? ? ? ? data_1 = (~(data_r -?1'b1)) * 16'd625 /7'd100;
? ? ? ? end
? ? ? else begin
? ? ? ? ? temp_sign <= 4'hf;
? ? ? ? ? data_1 <= (data_r *?16'd625) /7'd100;
? ? ??end

數碼管驅動采用最基本動態驅動即可，在此不做介紹；

相關參考代碼為：

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