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；

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