基于FPGA的溫度傳感器(ds18b20)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本篇主要討論基于FPGA的溫度傳感器（ds18b20）驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)---第一版

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：利用FPGA驅(qū)動(dòng)DS18b20，讀取到溫度數(shù)值顯示到數(shù)碼管上。

首先介紹DS18b20。

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

DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)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(duì)應(yīng)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(zhuǎn)換時(shí)間的（將外界的問題轉(zhuǎn)換為數(shù)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(rèn)的精度為12位，我們一般也采用這個(gè)精度。如果覺得這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，可以考慮配置為其他的精度。

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

通過上述實(shí)物圖可以看到，DS18B20有三個(gè)管腳，VDD（電源管腳），DQ（數(shù)據(jù)線），GND（地線）。 在使用時(shí)，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(shí)，VDD接電源3V~5V，GND接地，DQ上面需要接一個(gè)上拉電阻（阻值通常為4.7K，或者10K），DQ就是進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)線（單數(shù)據(jù)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(gè)數(shù)據(jù)線DQ來進(jìn)行控制這個(gè)溫度傳感器。 下圖是DS18B20的框圖：

64bit的rom中的數(shù)值時(shí)固定的。高八位為：28h（表示為DS18b20）；后續(xù)的48位為：芯片的序列號(hào)（每一個(gè)DS18B20都不相同）；最后八位：前面56位的CRC校驗(yàn)序列。 DS18B20支持在一個(gè)總線上面加載多個(gè)DS18B20，那么此時(shí)就需要獲取每一個(gè)DS18B20的ROM，這樣就可以精準(zhǔn)的控制每一個(gè)器件了。 在此我們不對(duì)在一個(gè)總線上加載多個(gè)DS18B20的情況，只討論加載一個(gè)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(gè)器件的情況）。 匹配ROM的命令為55H，后面跟著寫入64bit數(shù)據(jù)，只有和這64bit的數(shù)據(jù)相同的器件才會(huì)開始工作。 跳過ROM的命令為CCH，接收到這個(gè)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(gè)器件的情況）。 在此我們不做多器件的情況，所以可以直接發(fā)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(fā)送一個(gè)開始測溫的命令，他才會(huì)開始測量溫度，并且轉(zhuǎn)換稱為數(shù)字信號(hào)（16bit的有符號(hào)數(shù)）。 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(gè)bit不使用(11:1)。 ······

上圖為默認(rèn)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(shù)據(jù)乘以0.0625就可以了。如果第12為1，表示為負(fù)溫度，則需要將測量出來的數(shù)據(jù)減去1，然后所有位取反，得到的結(jié)果再乘以0.0625度。上述的表示方式就是有符號(hào)數(shù)在數(shù)字電路中的表示形式。 16bit的數(shù)字信息存儲(chǔ)在內(nèi)部暫存器中，占用兩個(gè)字節(jié)（在0、1字節(jié)）。

測溫的命令為44H。 暫存器的第四個(gè)4字節(jié)就是配置分辨率的寄存器。

TM設(shè)置為0即可；

可以通過配置這個(gè)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(rèn)分辨率12bit。 寫入暫存器的命令為4EH，后面跟著寫入3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這三個(gè)字節(jié)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，如果只是想讀取溫度，那么只需要讀出兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)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(shí)序。 首先：在發(fā)送命令之前，器件要求必須要被初始化。時(shí)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(huì)被拉成高電平）。如果器件存在并且可以正常工作，器件會(huì)拉低DQ一段時(shí)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(huì)拉低。主機(jī)從釋放總線控制開始，要等待600us的時(shí)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(fā)送命令了。 發(fā)送命令和和數(shù)據(jù)以低位優(yōu)先。 發(fā)送1bit的時(shí)序?yàn)椋?

如果控制器想要發(fā)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(fā)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(shí)長110us。 讀取命令和數(shù)據(jù)以低位優(yōu)先。 讀取1bit的時(shí)序?yàn)椋?

如果控制器想要讀取的話，那么拉低DQ5us的時(shí)間，釋放總線，在10us時(shí)，讀取總線的電平值即可獲得讀取值。建議每一bit的時(shí)長110us。 實(shí)現(xiàn)DS18B20的驅(qū)動(dòng)主要有三步： 第一步：初始化DS18B20； 第二步：ROM命令（緊跟任何數(shù)據(jù)交換請(qǐng)求）； 第三步：DS18B20功能命令（緊跟任何數(shù)據(jù)交換請(qǐng)求）； 所以我們上電后，工作的過程如下： 初始化、發(fā)送跳過ROM命令 、發(fā)送轉(zhuǎn)換溫度命令；等待750ms；初始化、發(fā)送跳過ROM命令、發(fā)送讀取暫存器的命令、讀取兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。不斷重復(fù)以上的過程即可。 上面的工作方式模式為：總線上是一個(gè)器件、分辨率為默認(rèn)的12bit、沒有匹配ROM。 DS18B20一般會(huì)制作到一個(gè)板卡上面，下面是筆者自制的板卡；

如果有需要的小伙伴，可以點(diǎn)擊下面的鏈接：

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

1. 溫度傳感器為DS18B20。

2. 總線上只有一個(gè)器件、溫度分辨率為12bit（默認(rèn)）、跳過ROM指令。

3. 將溫度顯示到數(shù)碼管上。

4. 溫度精確到小數(shù)點(diǎn)后2位。

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

6. 數(shù)碼管共計(jì)6個(gè)，后面五個(gè)顯示溫度，前面三個(gè)顯示整數(shù)、后面兩個(gè)顯示小數(shù)。

7. 數(shù)碼管共計(jì)6個(gè)，整數(shù)與小數(shù)中間點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)。

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

使用平臺(tái)：本次設(shè)計(jì)應(yīng)用Altera的平臺(tái)設(shè)計(jì)（芯片：EP4CE10F17C8）、使用的DS18B20板卡為市面上常見的，如果沒有的同學(xué)，可以聯(lián)系筆者購買。

開發(fā)軟件：quartus 18.0

開發(fā)語言：Verilog HDL

作者QQ：746833924

說明：本篇設(shè)計(jì)中不涉及到ip電路，如果在其他平臺(tái)，rtl代碼依然可以適用，當(dāng)其他板卡電路不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不同的現(xiàn)象出現(xiàn)，如有需要修改代碼請(qǐng)聯(lián)系作者；如需作者使用的板卡，請(qǐng)聯(lián)系作者；

設(shè)計(jì)思想如下：

ds18b20_drive模塊的功能為驅(qū)動(dòng)ds18b20，獲取溫度，并且輸出符號(hào)和溫度的BCD碼；seven_tube_drive模塊的功能將符號(hào)和溫度的BCD碼輸出，并且在右側(cè)第三個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)用以區(qū)分整數(shù)和小數(shù)。 ds18b20_drive模塊采用狀態(tài)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)。 讀取到溫度信息后，轉(zhuǎn)換為BCD碼輸出； 首先判斷溫度的正負(fù)性，然后計(jì)算它的絕對(duì)值。 絕對(duì)值要乘以0.0625，此時(shí)乘以625，相當(dāng)于擴(kuò)大了10000倍，然后除以100，則表示擴(kuò)大了100倍（因?yàn)槲覀冃枰Ａ魞晌恍?shù) ，正好擴(kuò)大100倍使小數(shù)都變成了整數(shù)）。

  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(shù)碼管驅(qū)動(dòng)采用最基本動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)即可，在此不做介紹；

相關(guān)參考代碼為：

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