基于FPGA的温度传感器(ds18b20)驱动设计

FPGA技术江湖 2025-01-16 49

描述

本篇主要讨论基于FPGA的温度传感器（ds18b20）驱动设计---第一版

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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。

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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）。了解了使用的威廉希尔官方网站特性后，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：

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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)。 ······

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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威廉希尔官方网站中的表示形式。 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）。

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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。

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TM设置为0即可；

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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：

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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：

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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：

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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；

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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威廉希尔官方网站，如果在其他平台，rtl代码依然可以适用，当其他板卡威廉希尔官方网站不同时，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：

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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；