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FPGA驱动DS18b20的设计（与仿真）.pdf
FPGA驱动驱动DS18b20的设计（与仿真）
的设计（与仿真）
彻底感受到fpga功能的强大，虽然在处理乘除法的能力上fpga能力赶不上单片机，但是fpga完全可以构造出一个
能力很强大的cpu，这就需要我们开动脑筋努力创造了，往后在EDA上还是要多花些功夫才行啊，呵呵！
一．任务解析
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，采用3引脚T0-92型小体积封装；温度测量范围为-55℃～+125~C，
可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0．0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
一线式(1-WIRE)串行总线是利用1条信号线就可以与总线上若干器件进行通信。具体应用中可以利用微处理器的I/O端口对
DS18B20直接进行通信，也可以通过现场可编程门阵列(FPGA)等可编程逻辑器件(PLD)实现对1-WIRE器件的通信。
二．方案论证
DS18B20的内部结构如图1所示，主要由以下几部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH(温度高)和
TL(温度低)、配置寄存器、暂存寄存器(SCRATCHPAD)、存储器控制逻辑。DQ为数字信号输入/输出端。
ROM中的64(8位产品家族编号、48位ID号、8位CRC)位序列号是出厂前刻好的，这64位序列号具有惟一性，每个DS18B20的
64位序列号均不相同。8位CRC生成器可以完成通信时的校验。暂存寄存器有9个字节，包含温度测量结果、温度报警寄存
器、CRC校验码等内容。
2.1操作步骤
对DS18B20的操作分为3个步骤：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。
2．2.1初始化
FPGA要与DS18B20通信，首先必须完成初始化。FPGA产生复位信号，DS18B20返回响应脉冲。
2．2．2ROM命令
该步骤完成FPGA与总线上的某一具体DS18B20建立联系。ROM命令有搜寻ROM(SEARCH ROM)、读ROM(READ ROM)、
匹配ROM(MATCH ROM)、忽略ROM(SKIP ROM)、报警查找等命令(ALARM SEARCH)。
这里，FPGA只连接1个DS18B20，因此只使用读ROM命令，来读取DS18B20的48位ID号。
2．2．3 DS18B20功能命令
FPGA在该步骤中完成温度转换(CONVERTT)、写暂存寄存器(WRITE SCRATCHPAD)、读暂存寄存器(READ
SCRATCHPAD)、拷贝暂存寄存器(COPYSCRATCHPAD)、装载暂存器寄存器(RECALL E2)、读供电模式命令(READ
POWER SUPPLY)。
文中不用温度报警功能，因此在本步骤中只需完成温度转换，然后通过读暂存寄存器命令完成温度转化的结果。
2．3操作时序
DS18B20的一线式操作时序如图2所示。从时序图中可以看出，对DS18B20的操作时序要求比较严格。利用FPGA可以实现这
些操作时序。
3 FPGA与DS18B20的通信
3．1 DS18B20的操作模块
FPGA需要完成DS18B20的初始化、读取DS18B20的48位ID号、启动DS18B20温度转换、读取温度转化结果。读取48位ID号
和读取温度转换结果过程中，FPGA还要实现CRC校验码的计算，保证通信数据的可靠性。
以上操作反复进行，可以用状态机来实现。状态机的各种状态如下：
RESET1：对DS18B20进行第一次复位，然后进入DELAY状态，等待若干时后，进入CMD33状态。
CMD33：对DS18B20发出0×33命令，读取48位ID值。
GET_ID：从DS18B20中读取48位ID值。
RESET2：对DS18B20进行第二次复位，然后进入DELAY状态等待800μs后，进入CMDCC状态。
CMDCC：向DS18B20发出忽略ROM命令，为进入下一状态作准备。
CMD44：向DS18B20发出启动温度转换命令，然后进入DELAY状态等待900ms后进入下一状态。
RESET3：对DS18B20进行第三次复位。
CMDCC2：向DS18B20发出忽略ROM命令，为了进入下一状态作准备。
GET_TEMP：从DS18B20中读取温度测量数值。
DELAY：等待状态。
WRITE_BIT：向DS18B20中写入数据位状态。
READ_BIT：从DS18B20中读取数据位状态。在该状态中每读取1位数据，同时完成该数据位的CRC校验计算。所有数据都读
取后，还要读取8位CRC校验位。这8位校验位也经过CRC校验计算，如果通信没有错误，总的CRC校验结果应该是0。这时
可将通信正确的数据保存到id和temp_data寄存器中。
三．方案实施
主要程序module DS18B20(
clk, // 50MHz 时钟
rst_n, // 异步复位
one_wire, // One-Wire 总线
dataout, //数码管的段码输出
en //数码管的位选使能输出
);
input clk; // 50MHz 时钟
input rst_n; // 异步复位
inout one_wire; // One-Wire 总线
output[7:0] dataout; //数码管的段码输出
output[3:0] en ; //数码管的位选使能输出
reg[3:0] en;
reg[7:0] dataout;
reg[3:0] dataout_buf;
reg [17:0] count; //分频计数器
reg [17:0] cnt_scan; //数码管的扫描显示计数器
分频器50MHz->1MHz 开始
reg [5:0] cnt; // 计数子
always@(posedge clk, negedge rst_n)
if (!rst_n)
cnt <= 0;
else
if (cnt == 49)
cnt <= 0;
else
cnt <= cnt + 1'b1;
reg clk_1us; // 1MHz 时钟
always @ (posedge clk, negedge rst_n)
if (!rst_n)
clk_1us <= 0;
else
if (cnt <= 24) // 24 = 50/2 - 1
clk_1us <= 0;
else
clk_1us <= 1;
延时模块：
reg [19:0] cnt_1us; // 1us 延时计数子
reg cnt_1us_clear; // 请1us 延时计数子
always @ (posedge clk_1us)
if (cnt_1us_clear)
cnt_1us <= 0;
else
cnt_1us <= cnt_1us + 1'b1;
//--------------------------------------
DS18B20 状态机开始
// 格雷码
parameter S00 = 5'h00;
parameter S0 = 5'h01;
parameter S1 = 5'h03;
parameter S2 = 5'h02;
parameter S3 = 5'h06;
parameter S4 = 5'h07;
parameter S5 = 5'h05;
parameter S6 = 5'h04;
parameter S7 = 5'h0C;
parameter WRITE0 = 5'h0D;
parameter WRITE1 = 5'h0F;
parameter WRITE00 = 5'h0E;
parameter WRITE01 = 5'h0A;
parameter READ0 = 5'h0B;
parameter READ1 = 5'h09;
parameter READ2 = 5'h08;
parameter READ3 = 5'h18;
reg [4:0] state; // 状态寄存器
reg one_wire_buf; // One-Wire 总线缓存寄存器
reg [15:0] temperature_buf; // 采集到的温度值缓存器（未处理）
reg [15:0] DS18B20_DATA_buf; // 采集到的温度值缓存器（未处理）
reg [5:0] step; // 子状态寄存器 0~50
// 写状态机
WRITE0 :
begin
cnt_1us_clear <= 0;
one_wire_buf <= 0; // 输出0
if (cnt_1us == 80) // 延时80us
begin
cnt_1us_clear <= 1;
one_wire_buf <= 1'bZ; // 释放总线，自动拉高
state <= WRITE00;
end
end
WRITE00 : // 空状态
state <= S5;
WRITE01 : // 空状态
state <= WRITE1;
WRITE1 :
begin
cnt_1us_clear <= 0;
one_wire_buf <= 1'bZ; // 输出1 释放总线，自动拉高
if (cnt_1us == 80) // 延时80us
begin
cnt_1us_clear <= 1;
state <= S5;
end
End
中间有50个状态机的程序，限于篇幅就不一一介绍了！
// 读状态机
READ0 : state <= READ1; // 空延时状态
READ1 :
begin
cnt_1us_clear <= 0;
one_wire_buf <= 1'bZ; // 释放总线
if (cnt_1us == 10) // 再延时10us
begin
cnt_1us_clear <= 1;
state <= READ2;
end
end
READ2 : // 读取数据
begin
temperature_buf[bit_valid] <= one_wire;
state <= READ3;
end
READ3 :
begin
cnt_1us_clear <= 0;
if (cnt_1us == 55) // 再延时55us
begin
cnt_1us_clear <= 1;
state <= S7;
end
end
// 读状态机
default : state <= S00;
endcase
end
end
assign one_wire = one_wire_buf; // 注意双向口的使用
// 对采集到的温度进行处理开始
wire [15:0] t_buf = temperature_buf & 16'h07FF;
// 对采集到的温度进行处理计算
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) begin
DS18B20_DATA_buf[15:0] =16'b0000000000000000;
//复位后全部清零
end
else begin
DS18B20_DATA_buf[3:0] = (t_buf[3:0] * 10) >> 4;
// 小数点后一位
DS18B20_DATA_buf[7:4] = (t_buf[7:4] >= 10) ? (t_buf[7:4] - 10) : t_buf[7:4]; // 个位
DS18B20_DATA_buf[11:8] = (t_buf[7:4] >= 10) ? (t_buf[11:8] + 1) : t_buf[11:8]; // 十位
// DS18B20_DATA_buf[15:12] = temperature_buf[12] ? 1 : 0;
// 这里是显示正数还是负数的。我们做正数处理
end
end
//分频计数器
always @ ( posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) begin
count<=0;
end
else begin
count<=count+1;
//这里这个计数器的目的是为了在显示数码管的十位 个位 小数点 小数点后一位同步
//我们在下面的数码管显示扫描也用到了一样位宽的计数器。
end
end
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
always @ ( posedge clk)
begin
case ( count[17:16] )
// case ( count[17:16] )这一句希望初学者看明白,
// 也是分频的关键
// 通过计数器分频，在相同时间间隔内，显示温度的十位个位 小数点 小数点后一位
0: dataout_buf<=DS18B20_DATA_buf[3:0]; //小数点后
1: dataout_buf<=4'b1010; //小数点
2: dataout_buf<=DS18B20_DATA_buf[7:4]; //个位
3: dataout_buf<=DS18B20_DATA_buf[11:8]; //十位
endcase
end
//下面是数码管扫描显示
//分频计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) begin
cnt_scan<=0;
end
else begin
cnt_scan<=cnt_scan+1;
//这里这个计数器的目的是为了在显示数码管的十位 个位 小数点 小数点后一位和读取DS18B20 的温度值同步
//我们在上面分时段的读取DS18B20 的温度值也用到了一样位宽的计数器。
end
end
always @(cnt_scan)
begin
case(cnt_scan[17:16])
//case 语句的功能是把数码管轮流点亮。
//修改cnt_scan[17:16]，可以修改数码管的显示频率。
3'b000 :
en = 4'b1110; //点亮第一位数码管 .显示小数点后面一位
3'b001 :
en = 4'b1101; //点亮第二位数码管，但是他的目的是显示小数点
3'b010 :
en = 4'b1101; //点亮第二位数码管，但是他的目的是显示个位
3'b011 :
en = 4'b1011; //点亮第三位数码管，是显示十位
default :
en = 4'b1111; //点亮第八位数码管
endcase
end
always@(dataout_buf)
begin
case(dataout_buf)
4'b0000:
dataout=8'b1100_0000; //共阳数码管显示0 的段码
4'b0001:
dataout=8'b1111_1001; //共阳数码管显示1 的段码
4'b0010:
dataout=8'b1010_0100; //共阳数码管显示2 的段码
4'b0011:
dataout=8'b1011_0000; //共阳数码管显示3 的段码
4'b0100:
dataout=8'b1001_1001; //共阳数码管显示4 的段码
4'b0101:
dataout=8'b1001_0010; //共阳数码管显示5 的段码
4'b0110:
dataout=8'b1000_0010; //共阳数码管显示6 的段码
4'b0111:
dataout=8'b1111_1000; //共阳数码管显示7 的段码
4'b1000:
dataout=8'b1100_0000; //共阳数码管显示8 的段码
4'b1001:
dataout=8'b1001_0000; //共阳数码管显示9 的段码
4'b1010:
dataout=8'b0111_1111; //共阳数码管显示小数点的段码
default:
dataout=8'b1000_0000;
endcase
end
endmodule
四．经验总结
程序的思想不难，从最先开始参考了好几个论坛的帖子，到逐渐学会用状态机来写，到最后一步一步，摸着石头过河整理出完
整的程序，不敢说全部都是完完全全的原创，但还是花了很多心思在上面，也明白写程序上还存在许多欠缺，希望以后一步一
个脚印，继续努力加油！在这里特别感谢大学生电子实验室和电子园这两个论坛，有很多思想和程序都是参考了各位前辈的，
文章的很多内容也借鉴了他们的劳动成果，在此特别感谢！
Fpga驱动的红外解码也是模仿单片机的中断写的：
module IR(clk,rst_n,IR,led_cs,led_db);
input clk;
input rst_n;
input IR;
output [3:0] led_cs;
output [7:0] led_db;
reg [3:0] led_cs;
reg [7:0] led_db;
reg [7:0] led1,led2,led3,led4;
reg [15:0] irda_data;
reg [31:0] get_data;
reg [5:0]data_cnt;
reg [2:0]cs,ns;
reg error_flag;
//----------------------------------------------------------------------------
reg irda_reg0;
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