基于FPGA的温度传感器(ds18b20)驱动设计

本篇主要讨论基于FPGA的温度传感器（ds18b20）驱动设计---第一版

设计实现：利用FPGA驱动DS18b20，读取到温度数值显示到数码管上。

首先介绍DS18b20。

DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

DS18B20 数字温度计提供 9-12位摄氏温度测量（9-12位是测量精度），它的测温范围为-55～＋125℃。

可编程的分辨率为9-12位，对应的分辨率温度分别为0.5度、0.25度、0.125度、0.0625度。   测量温度是需要转换时间的（将外界的问题转换为数字量），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。   上电后，默认的精度为12位，我们一般也采用这个精度。如果觉得这个转换时间较长，可以考虑配置为其他的精度。

每个DS18B20都有一个独特的64位序列号，从而允许多只 DS18B20同时连在一根单线总线上；因此很简单就可以用一个微控制器去控制很多覆盖在一大片区域的DS18B20。这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。

    通过上述实物图可以看到，DS18B20有三个管脚，VDD（电源管脚），DQ（数据线），GND（地线）。   在使用时，也可以不通过VDD供电，而采用DQ供电（此种模式在此不再介绍）。   在平常使用时，VDD接电源3V~5V，GND接地，DQ上面需要接一个上拉电阻（阻值通常为4.7K，或者10K），DQ就是进行通信的数据线（单数据总线）。   了解了使用的电路特性后，就得琢磨一下，如何利用一个数据线DQ来进行控制这个温度传感器。   下图是DS18B20的框图：  

  64bit的rom中的数值时固定的。高八位为：28h（表示为DS18b20）；后续的48位为：芯片的序列号（每一个DS18B20都不相同）；最后八位：前面56位的CRC校验序列。   DS18B20支持在一个总线上面加载多个DS18B20，那么此时就需要获取每一个DS18B20的ROM，这样就可以精准的控制每一个器件了。   在此我们不对在一个总线上加载多个DS18B20的情况，只讨论加载一个DS18B20的情况。   读取ROM的64bit的命令为33H，后面跟着读取64bit，就是器件的ROM值（只能用在总线上只有一个器件的情况）。   匹配ROM的命令为55H，后面跟着写入64bit数据，只有和这64bit的数据相同的器件才会开始工作。   跳过ROM的命令为CCH，接收到这个命令的器件，不需要匹配就可以直接工作（只能用在总线上只有一个器件的情况）。   在此我们不做多器件的情况，所以可以直接发送跳过ROM的命令。   DS18B20的测温是需要被通知的，也就说我们需要给器件发送一个开始测温的命令，他才会开始测量温度，并且转换称为数字信号（16bit的有符号数）。   分频率为12位，使用16bit后面的12位（11：0）。 分频率为11位，则16bit的最后一个bit不使用(11:1)。 ······  

   

  上图为默认精度(12bit、0.0625度)，如果第12位为0，表示为正温度，测量出来的数据乘以0.0625就可以了。如果第12为1，表示为负温度，则需要将测量出来的数据减去1，然后所有位取反，得到的结果再乘以0.0625度。上述的表示方式就是有符号数在数字电路中的表示形式。   16bit的数字信息存储在内部暂存器中，占用两个字节（在0、1字节）。  

    测温的命令为44H。   暂存器的第四个4字节就是配置分辨率的寄存器。  

  TM设置为0即可；  

  可以通过配置这个寄存器的值，来配置我们想要的分辨率。在此，我将不配置此寄存器，使用默认分辨率12bit。   写入暂存器的命令为4EH，后面跟着写入3个字节的数据，这三个字节写入到暂存器的2、3、4的位置。   读出暂存器的命令为BEH，后面跟着读出N个字节的数据，如果只是想读取温度，那么只需要读出两个字节的数据就可以了。   基本的命令差不多都介绍完事了，那么下面开始介绍时序。   首先：在发送命令之前，器件要求必须要被初始化。时序如下：  

  控制器需要拉低DQ，至少保持480us（最大不超过960us，建议：600us），然后释放总线控制（由于DQ被上拉，所以会被拉成高电平）。如果器件存在并且可以正常工作，器件会拉低DQ一段时间60-240us。   所以建议：控制器拉低DQ960us，释放总线控制，检测DQ是否还会拉低。主机从释放总线控制开始，要等待600us的时间去检测DQ是否拉低，如果有拉低则证明器件存在并且可以工作，如果没有拉低，则证明器件不存在或者不可以工作。   证明器件存在并且可以工作后，我们就可以向器件发送命令了。   发送命令和和数据以低位优先。   发送1bit的时序为：  

  如果控制器想要发送1bit0，那么直接拉低DQ100us即可，然后释放总线；如果控制器想要发送1bit1，那么拉低DQ5us，然后释放总线即可。无论是写0，还是写1，建议每一bit的时长110us。   读取命令和数据以低位优先。   读取1bit的时序为：  

  如果控制器想要读取的话，那么拉低DQ5us的时间，释放总线，在10us时，读取总线的电平值即可获得读取值。建议每一bit的时长110us。   实现DS18B20的驱动主要有三步： 第一步：初始化DS18B20； 第二步：ROM命令（紧跟任何数据交换请求）； 第三步：DS18B20功能命令（紧跟任何数据交换请求）；   所以我们上电后，工作的过程如下：   初始化、发送跳过ROM命令 、发送转换温度命令；等待750ms；初始化、发送跳过ROM命令、发送读取暂存器的命令、读取两个字节的数据。不断重复以上的过程即可。   上面的工作方式模式为：总线上是一个器件、分辨率为默认的12bit、没有匹配ROM。   DS18B20一般会制作到一个板卡上面，下面是笔者自制的板卡；  

  如果有需要的小伙伴，可以点击下面的链接：  

 

https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=862024382902

  设计实现：利用FPGA驱动DS18b20，读取到温度数值显示到数码管上。

 

 

1. 温度传感器为DS18B20。

2. 总线上只有一个器件、温度分辨率为12bit（默认）、跳过ROM指令。

3. 将温度显示到数码管上。

4. 温度精确到小数点后2位。

5. 数码管共计6个，最前面显示是否为负温度（不显示为正温度，显示一横杠为负温度）。

6. 数码管共计6个，后面五个显示温度，前面三个显示整数、后面两个显示小数。

7. 数码管共计6个，整数与小数中间点亮小数点。

8. 利用LED显示是否初始化成功，LED点亮表示初始化成功，LED熄灭表示初始化失败。

使用平台：本次设计应用Altera的平台设计（芯片：EP4CE10F17C8）、使用的DS18B20板卡为市面上常见的，如果没有的同学，可以联系笔者购买。

开发软件：quartus 18.0

开发语言：Verilog HDL

作者QQ：746833924

说明：本篇设计中不涉及到ip电路，如果在其他平台，rtl代码依然可以适用，当其他板卡电路不同时，会导致不同的现象出现，如有需要修改代码请联系作者；如需作者使用的板卡，请联系作者；

设计思想如下：

  ds18b20_drive模块的功能为驱动ds18b20，获取温度，并且输出符号和温度的BCD码；seven_tube_drive模块的功能将符号和温度的BCD码输出，并且在右侧第三个数码管点亮小数点用以区分整数和小数。   ds18b20_drive模块采用状态机的方式实现。   读取到温度信息后，转换为BCD码输出；   首先判断温度的正负性，然后计算它的绝对值。   绝对值要乘以0.0625，此时乘以625，相当于扩大了10000倍，然后除以100，则表示扩大了100倍（因为我们需要保留两位小数 ，正好扩大100倍使小数都变成了整数）。  

 

      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

 

 

数码管驱动采用最基本动态驱动即可，在此不做介绍；

相关参考代码为：  

 

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