基于FPGA的DS18B20數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫實(shí)例
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1、DS18B20數(shù)字溫度傳感器
本文將使用三段式狀態(tài)機(jī)（Moore型）的寫法來(lái)對(duì)DS18B20進(jìn)行測(cè)溫操作，以便了解DS18B20和熟悉三段式狀態(tài)機(jī)的寫法。
1.1、概述
溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器， 是各種傳感器中最常用的一種。隨著現(xiàn)代儀器的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。
美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字化溫度傳 感器DS18B20采用單總線協(xié)議，即與FPGA接口僅需占用一個(gè)I/O端口，無(wú)須任何外部元件，直接 將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字碼方式串行輸出，從而大大簡(jiǎn)化了傳感器與FPGA的接口設(shè)計(jì)。
引腳如下圖：
1.2、結(jié)構(gòu)組成
DS18B20測(cè)量溫度范圍為-55~+125℃，精度為±0.5℃。現(xiàn)場(chǎng)（實(shí)時(shí)）溫度直接以“單總線” 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9~l2位的數(shù)字值讀數(shù)方式。它工作在3~5.5V的電壓范圍，采用多種封裝形式，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后 依然保存。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖：
高速緩存器的結(jié)構(gòu)框圖如下：
由上圖可知DS18B20的高速緩存器共有9個(gè)8位寄存器，其中溫度數(shù)據(jù)低位（LSB）對(duì)應(yīng)字節(jié) 地址0，溫度數(shù)據(jù)高位（MSB）對(duì)應(yīng)字節(jié)地址1，以此類推，配置寄存器的字節(jié)地址為4。溫度數(shù)據(jù)存放的格式如下圖：
DS18B20在出廠時(shí)默認(rèn)配置溫度數(shù)據(jù)為12位，其中最高位為符號(hào)位，即溫度值共11位，最低四位為小數(shù)位。FPGA在讀取溫度數(shù)據(jù)時(shí)，一次會(huì)讀2字節(jié)共16位，讀完后將低11位的二進(jìn)制 數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)后再乘以0.0625得到所測(cè)的實(shí)際溫度值。
另外還需要判斷溫度的正負(fù)，前5 個(gè)數(shù)字為符號(hào)位，這5位同時(shí)變化，我們只需要判斷其中任何一位就可以了。前5位為1時(shí)，讀 取的溫度為負(fù)值，則測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625才可得到實(shí)際溫度值。前5位為0時(shí)， 讀取的溫度為正值，只要將測(cè)得的數(shù)值乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度值。
高速緩存器中第四個(gè)字節(jié)即為配置寄存器，用戶通過(guò)改變 R1 和 R0 的值來(lái)配置 DS18B20 的分辨率，上電默認(rèn)為 R1=1 以及 R0=1（12 位分辨率）。需要注意的是轉(zhuǎn)換時(shí)間與分辨率時(shí)間是有關(guān)系的。另外寄存器中最高位和低 5 位作 為內(nèi)部使用而保留使用，不可被寫入。轉(zhuǎn)換時(shí)間與位數(shù)關(guān)系如下表所示：
1.3、通訊步驟
如何操作 DS18B20 去進(jìn)行對(duì)溫度的轉(zhuǎn)換以及讀取呢？步驟如下：
1. 初始化
1-Wire 總線上的所有事件都必須以初始化為開始。初始化序列由總線上的主設(shè)備發(fā)出的復(fù)位脈沖以及緊跟著從設(shè)備回應(yīng)的存在脈沖構(gòu)成。該存在脈沖是讓總線主設(shè)備知道 DS18B20 在總線上并準(zhǔn)備好運(yùn)行。所有具體時(shí)序都在1.4章節(jié)介紹。
2. ROM命令
當(dāng)初始化完成之后，就可以執(zhí)行 ROM 命令。這些命令是對(duì)每個(gè)設(shè)備的 64 位 ROM 編 碼進(jìn)行操作的，當(dāng)總線上連接有多個(gè)設(shè)備時(shí)，可以通過(guò)這些命令識(shí)別各個(gè)設(shè)備?？偣舶?有 5 種 ROM 命令，每個(gè)命令的長(zhǎng)度都是 8bit。
搜索 ROM[F0h]：當(dāng)系統(tǒng)上電初始化后，主設(shè)備可識(shí)別該總線上所有的從設(shè)備的 ROM 編碼，這樣就可以使得主設(shè)備確定總線上的從設(shè)備的類型以及數(shù)量。
讀 ROM[33h] ：該命令允許主設(shè)備讀取 DS18B20 的 64 位 ROM 編碼，只有在總線上只有一個(gè) DS18B20 時(shí)才能使用這個(gè)命令。如果總線上存在多個(gè)從設(shè)備，發(fā)送此命令，則當(dāng)所有從設(shè) 備都會(huì)回應(yīng)時(shí)，將會(huì)引起數(shù)據(jù)沖突。
匹配 ROM[55h] ：該匹配 ROM 命令之后接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，使主設(shè)備在多點(diǎn)總線上定位一只特定的 DS18B20。只有和 64 位 ROM 序列完全匹配的 DS18B20 才會(huì)做出響應(yīng)?？偩€上的其 他從設(shè)備都將等待下一個(gè)復(fù)位脈沖。此命令在總線上有單個(gè)或多個(gè)器件時(shí)都可以使用。
跳過(guò) ROM[CCh] ：這條命令可以不用提供 64 位 ROM 編碼就進(jìn)行下一步操作，在單點(diǎn)總線（一個(gè) DS18B20 傳感器）情況下可以節(jié)省時(shí)間。如果總線上不止一個(gè)從設(shè)備，在跳過(guò) ROM 命令 之后跟著發(fā)一條讀命令，則所有從設(shè)備將會(huì)同時(shí)執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換，總線上就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。
警報(bào)搜索[ECh] ：該命令的操作與跳過(guò) ROM 命令基本相同，但是不同的是只有溫度高于 TH 或低于 TL （達(dá)到報(bào)警條件）的從設(shè)備才會(huì)響應(yīng)。只要不掉電，警報(bào)狀態(tài)將一直保持，直到溫度不在警報(bào)范圍內(nèi)為止。
3. 功能命令
當(dāng)總線上的主設(shè)備通過(guò) ROM 命令確定了哪個(gè) DS18B20 可以進(jìn)行通信時(shí)，主設(shè)備就可 以向其中一個(gè)從設(shè)備發(fā)送功能命令。這些命令可以使得主設(shè)備操控從設(shè)備進(jìn)行一系列的操作。
溫度轉(zhuǎn)換[44h]： 此命令為初始化單次溫度轉(zhuǎn)換，溫度轉(zhuǎn)換完后，轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)據(jù)會(huì)寄存在高速緩存器 的 byte0（溫度數(shù)據(jù)低八位）和 byte1（溫度數(shù)據(jù)高八位）中，之后 DS18B20 恢復(fù)到低功耗 的閑置狀態(tài)。如果總線在該命令后發(fā)出讀時(shí)隙，若 DS18B20 正在進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換則會(huì)響應(yīng) “0”，若完成了溫度轉(zhuǎn)換則響應(yīng)“1”。如果是用的“寄生電源”供電模式，則在命令發(fā) 出后應(yīng)立即強(qiáng)制拉高總線，拉高時(shí)間應(yīng)大于時(shí)序要求。
寫入暫存器[4Eh] ：該命令使得主設(shè)備向高速緩存器寫入 3 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。第一個(gè)字節(jié)寫入高速緩存器的 byte2 中（TH 寄存器），第二個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入 byte3 中（TL 寄存器），第三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入 byte4 中（配置寄存器）。所有的數(shù)據(jù)都是由低位到高位的順序?qū)懭?。?fù)位可隨時(shí)中斷寫入。
讀取高速緩存器[BEh] ：讀取高速緩存器里的值，從 byte0（溫度低八位）開始一直讀到 byte8（CRC 校驗(yàn)），每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)從低位開始傳送。若是不想讀取這么多數(shù)據(jù)則在讀取數(shù)據(jù)時(shí)隨時(shí)可以通過(guò)復(fù)位來(lái)終止。
復(fù)制高速緩存器[48h] ：該命令是將高速緩存器中的 TH（byte2）、TL（byte3）以及配置寄存器（byte4）里的 值拷貝到非易失性的存儲(chǔ)器 EEPROM 里。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時(shí) 隙，而 DS18B20 又正在忙于把暫存器拷貝到 EEPROM 存儲(chǔ)器，DS18B20 就會(huì)輸出一個(gè) “0”，如果拷貝結(jié)束的話，DS18B20 則輸出“1”。如果設(shè)備采用“寄生電源”供電模 式，則在該命令發(fā)送后，必須立即強(qiáng)制拉高總線至少 10ms。
召回 EEPROM[B8h] ：該命令將溫度報(bào)警觸發(fā)值（TH 和 TL）及配置寄存器的數(shù)據(jù)從 EEPROM 中召回至高速 緩存器中。這個(gè)操作會(huì)在上電后自動(dòng)執(zhí)行一次，所以在上電期間暫存器中一直會(huì)存在有效 的數(shù)據(jù)。若在召回命令之后啟動(dòng)讀時(shí)隙，若 DS18B20 正在進(jìn)行召回 EEPROM 則會(huì)響應(yīng) “0”，若召回完成則響應(yīng)“1”。
讀取供電模式[B4h] ：該命令可以讀取總線上的 DS18B20 是否是由“寄生電源”供電。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)序中 “0”表示“寄生電源供”模式供電，“1”表示外部電源供電。
1.4、總線時(shí)序
初始化—復(fù)位和存在脈沖
與 DS18B20 所有的通信都是由初始化開始的，初始化由主設(shè)備發(fā)出的復(fù)位脈沖及 DS18B20 響應(yīng)的存在脈沖組成。如下圖 所示。當(dāng) DS18B20 響應(yīng)復(fù)位信號(hào)的存在脈沖 后，則其向主設(shè)備表明其在該總線上，并且已經(jīng)做好了執(zhí)行命令的準(zhǔn)備。 在初始化狀態(tài)，總線上的主設(shè)備通過(guò)拉低 1-Wire 總線最少 480us 來(lái)表示發(fā)送復(fù)位脈 沖。發(fā)送完之后，主設(shè)備要釋放總線進(jìn)入接收模式。當(dāng)總線釋放后，上拉電阻將 1- Wire 總線拉至高電平。當(dāng) DS18B20 檢測(cè)到該上升沿信號(hào)后，其等待 15us 至 60us 后將總線 拉低 60us 至 240us 來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送一個(gè)存在脈沖。
寫時(shí)隙
主設(shè)備通過(guò)寫時(shí)隙將命令寫入 DS18B20 中，寫時(shí)隙有兩種情況：寫“1”和寫“0”時(shí) 隙。主設(shè)備通過(guò)寫 1 時(shí)隙來(lái)向 DS18B20 中寫入邏輯 1，通過(guò)寫 0 時(shí)隙來(lái)向 DS18B20 中寫入 邏輯 0。當(dāng)主設(shè)備將總線從高電平拉至低電平時(shí)，啟動(dòng)寫時(shí)隙，所有的寫時(shí)隙持續(xù)時(shí)間最 少為 60us，每個(gè)寫時(shí)隙間的恢復(fù)時(shí)間最少為 1us。 當(dāng)總線（DQ）拉低后，DS18B20 在 15us 至 60us 之間對(duì)總線進(jìn)行采樣，如果采的 DQ 為高電平則發(fā)生寫 1，如果為低電平則發(fā)生寫 0，如下圖所示（圖中的總線控制器即為主設(shè)備）。 如果要產(chǎn)生寫 1 時(shí)隙，必須先將總線拉至邏輯低電平然后釋放總線，允許總線在寫 隙開始后 15us 內(nèi)上拉至高電平。若要產(chǎn)生寫 0 時(shí)隙，必須將總線拉至邏輯低電平并保持不 變最少 60us。
讀時(shí)隙
當(dāng)我們發(fā)送完讀取供電模式[B4h]或讀高速緩存器[BEh]命令時(shí)，必須及時(shí)地生成讀時(shí)隙，只有在讀時(shí)隙 DS18B20 才能向主設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。每個(gè)讀時(shí)隙最小必須有 60us 的持續(xù) 時(shí)間以及每個(gè)讀時(shí)隙間至少要有 1us 的恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)主設(shè)備將總線從高電平拉至低電平超 過(guò) 1us，啟動(dòng)讀時(shí)隙，如下圖所示。當(dāng)啟動(dòng)讀時(shí)隙后，DS18B20 將會(huì)向主設(shè)備發(fā)送“0”或者“1”。DS18B20 通過(guò)將總線 拉高來(lái)發(fā)送 1，將總線拉低來(lái)發(fā)送 0 。當(dāng)讀時(shí)隙完成后，DQ 引腳將通過(guò)上拉電阻將總線拉高至高電平的閑置狀態(tài)。從 DS18B20 中輸出的數(shù)據(jù)在啟動(dòng)讀時(shí)隙后的 15us 內(nèi)有效，所以，主設(shè)備在讀時(shí)隙開始后的 15us 內(nèi)必須釋放總線，并且對(duì)總線進(jìn)行采樣。
2、采用三段式狀態(tài)機(jī)測(cè)試
接下來(lái)將采用三段式狀態(tài)機(jī)對(duì)DS18B20進(jìn)行測(cè)溫操作。
2.1、整體設(shè)計(jì)
因?yàn)楸疚闹粚慏S18B20的驅(qū)動(dòng)，不涉及到其他模塊（如數(shù)碼管），所以模塊框圖如下：
信號(hào)說(shuō)明如下：
sys_clk：系統(tǒng)時(shí)鐘，50M
rst_n：低電平有效的復(fù)位信號(hào)
dq：?jiǎn)慰偩€（雙向信號(hào)）
temp_data：輸出的有效數(shù)據(jù)，位寬20
sign：輸出給數(shù)碼管的正負(fù)信號(hào)，1表示數(shù)據(jù)為負(fù)數(shù)；0表示數(shù)據(jù)為正數(shù)
根據(jù)上面對(duì)DS18B20的介紹，可以概括出整個(gè)的測(cè)溫流程如下：
2.2、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
三段式狀態(tài)機(jī)的概念可以參考：狀態(tài)機(jī)（一段式、二段式、三段式）、摩爾型（Moore）和米勒型（Mealy）
當(dāng)知道了 DS18B20 的控制流程之后，我們可以借助狀態(tài)機(jī)來(lái)進(jìn)一步了解它是如何跳轉(zhuǎn)的：
下面對(duì)各狀態(tài)說(shuō)明：
INIT1：每次操作前都需要進(jìn)行初始化操作。在這個(gè)狀態(tài)主機(jī)會(huì)使用一個(gè)計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到1000us。一開始就先拉低總線500us，然后釋放總線；在570us處采集總線電平，若為0，則說(shuō)明總線進(jìn)行了響應(yīng)，初始化完成。
WR_CMD：在這個(gè)狀態(tài)一起發(fā)送跳過(guò)ROM和溫度轉(zhuǎn)換指令。使用一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，使用另一個(gè)計(jì)數(shù)器則對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，當(dāng)成功發(fā)送16個(gè)數(shù)據(jù)后，發(fā)送命令完成
WAIT：這個(gè)狀態(tài)為延時(shí)狀態(tài)，滿足發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令后的等待時(shí)間750ms。使用一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，時(shí)間滿足750ms則說(shuō)明計(jì)時(shí)完成。
INIT2：第二次操作前的初始化操作。所有操作同INIT1，不贅述。
RD_CMD：在這個(gè)狀態(tài)一起發(fā)送跳過(guò)ROM和讀取溫度指令。使用一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，使用另一個(gè)計(jì)數(shù)器則對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，當(dāng)成功發(fā)送16個(gè)數(shù)據(jù)后，發(fā)送命令完成
RD_DATA：在這個(gè)狀態(tài)讀取從機(jī)返回的16位溫度數(shù)據(jù)。使用一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，使用另一個(gè)計(jì)數(shù)器則對(duì)讀取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，使用一個(gè)寄存器寄存讀取到的溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)成功讀取16個(gè)數(shù)據(jù)后，接收命令完成
需要注意：信號(hào)線dq是一個(gè)雙向信號(hào)，所以使用時(shí)要用使用三態(tài)門的方法來(lái)操作，具體方法參考：如何規(guī)范地使用雙向（inout）信號(hào)？
2.3、Verilog代碼
根據(jù)上面的狀態(tài)分析圖，編寫Verilog代碼如下：（這里就不寫分析了，注釋已經(jīng)寫得很詳細(xì)了，如果你看到了這邊文章且這段代碼又不懂的地方，可以評(píng)論給我）
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//--3段式狀態(tài)機(jī)（Moore）實(shí)現(xiàn)的DS18B20驅(qū)動(dòng)
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//------------<模塊及端口聲明>----------------------------------------
module ds18b20_dri(
input clk , //系統(tǒng)時(shí)鐘，50M
input rst_n , //低電平有效的復(fù)位信號(hào)
inout dq , //單總線（雙向信號(hào)）
output reg [19:0] temp_data , // 轉(zhuǎn)換后得到的溫度值
output reg sign // 符號(hào)位
);
//------------<參數(shù)定義>----------------------------------------------
//狀態(tài)機(jī)狀態(tài)定義
localparam INIT1 = 6'b000001 ,
WR_CMD = 6'b000010 ,
WAIT = 6'b000100 ,
INIT2 = 6'b001000 ,
RD_CMD = 6'b010000 ,
RD_DATA = 6'b100000 ;
//時(shí)間參數(shù)定義
localparam T_INIT = 1000 , //初始化最大時(shí)間，單位us
T_WAIT = 780_000 ; //轉(zhuǎn)換等待延時(shí)，單位us
//命令定義
localparam WR_CMD_DATA = 16'h44cc, //跳過(guò) ROM 及溫度轉(zhuǎn)換命令，低位在前
RD_CMD_DATA = 16'hbecc; //跳過(guò) ROM 及讀取溫度命令，低位在前
//------------<reg定義>----------------------------------------------
reg [5:0] cur_state ; //現(xiàn)態(tài)
reg [5:0] next_state ; //次態(tài)
reg [4:0] cnt ; //50分頻計(jì)數(shù)器，1Mhz(1us)
reg dq_out ; //雙向總線輸出
reg dq_en ; //雙向總線輸出使能，1則輸出，0則高阻態(tài)
reg flag_ack ; //從機(jī)響應(yīng)標(biāo)志信號(hào)
reg clk_us ; //us時(shí)鐘
reg [19:0] cnt_us ; //us計(jì)數(shù)器,最大可表示1048ms
reg [3:0] bit_cnt ; //接收數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器
reg [15:0] data_temp ; //讀取的溫度數(shù)據(jù)寄存
reg [15:0] data ; //未處理的原始溫度數(shù)據(jù)
//------------<wire定義>----------------------------------------------
wire dq_in ; //雙向總線輸入
//==================================================================
//===========================<main code>===========================
//==================================================================
//-----------------------------------------------------------------------
//--雙向端口使用方式
//-----------------------------------------------------------------------
assign dq_in = dq; //高阻態(tài)的話，則把總線上的數(shù)據(jù)賦給dq_in
assign dq = dq_en ? dq_out : 1'bz; //使能1則輸出，0則高阻態(tài)
//-----------------------------------------------------------------------
//--us時(shí)鐘生成，因?yàn)闀r(shí)序都是以u(píng)s為單位，所以生成一個(gè)1us的時(shí)鐘會(huì)比較方便
//-----------------------------------------------------------------------
//50分頻計(jì)數(shù)
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
cnt <= 5'd0;
else if(cnt == 5'd24) //每25個(gè)時(shí)鐘500ns清零
cnt <= 5'd0;
else
cnt <= cnt + 1'd1;
end
//生成1us時(shí)鐘
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
clk_us <= 1'b0;
else if(cnt == 5'd24) //每500ns
clk_us <= ~clk_us; //時(shí)鐘反轉(zhuǎn)
else
clk_us <= clk_us;
end
//-----------------------------------------------------------------------
//--三段式狀態(tài)機(jī)
//-----------------------------------------------------------------------
//狀態(tài)機(jī)第一段：同步時(shí)序描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
cur_state <= INIT1;
else
cur_state <= next_state;
end
//狀態(tài)機(jī)第二段：組合邏輯判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律以及輸出
always @(*)begin
next_state = INIT1;
case(cur_state)
INIT1 :begin
if(cnt_us == T_INIT && flag_ack) //滿足初始化時(shí)間且接收到了從機(jī)的響應(yīng)信號(hào)
next_state = WR_CMD; //跳轉(zhuǎn)到寫狀態(tài)
else
next_state = INIT1; //不滿足則保持原有狀態(tài)
end
WR_CMD :begin
if(bit_cnt == 4'd15 && cnt_us == 20'd62) //寫完了16個(gè)數(shù)據(jù)，寫跳過(guò)ROM和寫溫度轉(zhuǎn)換命令
next_state = WAIT; //跳轉(zhuǎn)到等待狀態(tài)，等待溫度轉(zhuǎn)換完成
else
next_state = WR_CMD; //不滿足則保持原有狀態(tài)
end
WAIT :begin
if(cnt_us == T_WAIT) //等待時(shí)間結(jié)束
next_state = INIT2;
else
next_state = WAIT;
end
INIT2 :begin
if(cnt_us == T_INIT && flag_ack) //再進(jìn)行初始化，時(shí)序同INIT1
next_state = RD_CMD;
else
next_state = INIT2;
end
RD_CMD :begin
if(bit_cnt == 4'd15 && cnt_us == 20'd62) //寫完了16個(gè)數(shù)據(jù)，寫跳過(guò)ROM和寫讀取溫度轉(zhuǎn)換命令
next_state = RD_DATA; //跳轉(zhuǎn)到讀取溫度數(shù)據(jù)狀態(tài)
else
next_state = RD_CMD;
end
RD_DATA :begin
if(bit_cnt == 4'd15 && cnt_us == 20'd62) //讀取完了16個(gè)數(shù)據(jù)
next_state = INIT1; //跳轉(zhuǎn)到初始化狀態(tài)，開始新一輪溫度采集
else
next_state = RD_DATA;
end
default:next_state = INIT1; //默認(rèn)初始化狀態(tài)
endcase
end
//狀態(tài)機(jī)第三段：時(shí)序邏輯描述輸出
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin //默認(rèn)輸出
dq_en <= 1'b0;
dq_out <= 1'b0;
flag_ack <= 1'b0;
cnt_us <= 20'd0;
bit_cnt <= 4'd0;
end
else begin
case(cur_state)
INIT1 :begin
if(cnt_us == T_INIT)begin //時(shí)間計(jì)數(shù)到最大值（初始化時(shí)間）
cnt_us <= 20'd0; //計(jì)數(shù)器清零
flag_ack <= 1'b0; //從機(jī)響應(yīng)標(biāo)志信號(hào)拉低
end
else begin //沒有計(jì)數(shù)到最大值
cnt_us <= cnt_us + 1'd1; //計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)
if(cnt_us <= 20'd499)begin //小于500us時(shí)
dq_en <= 1'b1; //控制總線
dq_out <= 1'b0; //輸出0，即拉低總線
end
else begin //在500us處
dq_en <= 1'b0; //釋放總線，等待從機(jī)響應(yīng)
if (cnt_us == 20'd570 && !dq_in) //在570us處采集總線電平，如果為0則說(shuō)明從機(jī)響應(yīng)了
flag_ack <= 1'b1; //拉高從機(jī)響應(yīng)標(biāo)志信號(hào)
end
end
end
WR_CMD :begin
if(cnt_us == 20'd62)begin //一個(gè)寫時(shí)隙周期63us，滿足計(jì)時(shí)條件則
cnt_us <= 20'd0; //清空計(jì)數(shù)器
dq_en <= 1'b0; //釋放總線
if(bit_cnt == 4'd15) //如果數(shù)據(jù)已經(jīng)寫了15個(gè)
bit_cnt <= 4'd0; //則清空
else //沒寫15個(gè)
bit_cnt <= bit_cnt + 1'd1; //則數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器+1，代表寫入了一個(gè)數(shù)據(jù)
end
else begin //一個(gè)寫時(shí)隙周期63us未完成
cnt_us <= cnt_us + 1'd1; //計(jì)數(shù)器一直計(jì)數(shù)
if(cnt_us <= 20'd1)begin //0~1us（每?jī)蓚€(gè)寫數(shù)據(jù)之間需要間隔2us）
dq_en <= 1'b1; //拉低總線
dq_out <= 1'b0;
end
else begin
if (WR_CMD_DATA[bit_cnt] == 1'b0)begin //需要寫入的數(shù)據(jù)為0
dq_en <= 1'b1; //拉低總線
dq_out <= 1'b0; //
end
else if(WR_CMD_DATA[bit_cnt] == 1'b1)begin
dq_en <= 1'b0; //需要寫入的數(shù)據(jù)為1
dq_out <= 1'b0; //釋放總線
end
end
end
end
WAIT :begin //等待溫度轉(zhuǎn)換完成
dq_en <= 1'b1; //拉低總線兼容寄生電源模式
dq_out <= 1'b1;
if(cnt_us == T_WAIT) //計(jì)數(shù)完成
cnt_us <= 20'd0;
else
cnt_us <= cnt_us + 1'd1;
end
INIT2 :begin //第二次初始化，時(shí)序同INIT1
if(cnt_us == T_INIT)begin
cnt_us <= 20'd0;
flag_ack <= 1'b0;
end
else begin
cnt_us <= cnt_us + 1'd1;
if(cnt_us <= 20'd499)begin
dq_en <= 1'b1;
dq_out <= 1'b0;
end
else begin
dq_en <= 1'b0;
if (cnt_us == 20'd570 && !dq_in)
flag_ack <= 1'b1;
end
end
end
RD_CMD :begin //寫16個(gè)數(shù)據(jù)，時(shí)序同WR_CMD
if(cnt_us == 20'd62)begin
cnt_us <= 20'd0;
dq_en <= 1'b0;
if(bit_cnt == 4'd15)
bit_cnt <= 4'd0;
else
bit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;
end
else begin
cnt_us <= cnt_us + 1'd1;
if(cnt_us <= 20'd1)begin
dq_en <= 1'b1;
dq_out <= 1'b0;
end
else begin
if (RD_CMD_DATA[bit_cnt] == 1'b0)begin
dq_en <= 1'b1;
dq_out <= 1'b0;
end
else if(RD_CMD_DATA[bit_cnt] == 1'b1)begin
dq_en <= 1'b0;
dq_out <= 1'b0;
end
end
end
end
RD_DATA :begin //讀16位溫度數(shù)據(jù)
if(cnt_us == 20'd62)begin //一個(gè)讀時(shí)隙周期63us，滿足計(jì)時(shí)條件則
cnt_us <= 20'd0; //清空計(jì)數(shù)器
dq_en <= 1'b0; //釋放總線
if(bit_cnt == 4'd15)begin //如果數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取了15個(gè)
bit_cnt <= 4'd0; //則清空
data <= data_temp; //臨時(shí)的數(shù)據(jù)賦值給data
end
else begin //如果數(shù)據(jù)沒有讀取15個(gè)
bit_cnt <= bit_cnt + 1'd1; //則數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器+1，意味著讀取了一個(gè)數(shù)據(jù)
data <= data;
end
end
else begin //一個(gè)讀時(shí)隙周期還沒結(jié)束
cnt_us <= cnt_us + 1'd1; //計(jì)數(shù)器累加
if(cnt_us <= 20'd1)begin //0~1us（每?jī)蓚€(gè)讀數(shù)據(jù)之間需要間隔2us）
dq_en <= 1'b1; //拉低總線
dq_out <= 1'b0;
end
else begin //2us后
dq_en <= 1'b0; //釋放總掉線
if (cnt_us == 20'd10) //在10us處讀取總線電平
data_temp <= {dq,data_temp[15:1]}; //讀取總線電平
end
end
end
default:;
endcase
end
end
//-----------------------------------------------------------------------
//--12位溫度數(shù)據(jù)處理
//-----------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin //初始狀態(tài)
temp_data <= 20'd0;
sign <= 1'b0;
end
else begin
if(!data[15])begin //最高位為0則溫度為正
sign <= 1'b0; //標(biāo)志位為正
temp_data <= data[10:0] * 11'd625 /7'd100; //12位溫度數(shù)據(jù)處理
end
else if(data[15])begin //最高位為1則溫度為負(fù)
sign <= 1'b1; //標(biāo)志位為負(fù)
temp_data <= (~data[10:0] + 1'b1)* 11'd625 /7'd100; //12位溫度數(shù)據(jù)處理
end
end
end
endmodule2.4、調(diào)試 因?yàn)橥ㄓ嵾^(guò)程涉及到從機(jī)的響應(yīng)，我又找不到相應(yīng)的器件模型，仿真就不搞了。 直接使用signaltap抓下波形： 上圖中： 狀態(tài)機(jī)開始運(yùn)行，進(jìn)入INTI1的初始化狀態(tài) dht11_en拉高同時(shí)dht11_out為0，說(shuō)明主機(jī)拉低了總線 主機(jī)拉低總線后在500us處釋放了總線，總線被上拉電阻拉高 在528us處總線被從機(jī)拉低，直至637us從機(jī)才釋放了總線，說(shuō)明從機(jī)發(fā)送了響應(yīng) 在570us處因?yàn)榭偩€被從機(jī)拉低，所以拉高了響應(yīng)信號(hào)flag_ack，直到進(jìn)入下個(gè)狀態(tài)才將flag_ack拉低 上圖中： 狀態(tài)機(jī)從INTI1的初始化狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到寫入ROM和溫度轉(zhuǎn)換命令的狀態(tài)WR_CMD bit_cnt從0計(jì)數(shù)到F，說(shuō)明寫入了16個(gè)數(shù)據(jù)；與此同時(shí)，總線上也在分別寫入“0”和“1” 上圖中： 狀態(tài)機(jī)從WAIT狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到初始化狀態(tài)INIT2 cnt_us計(jì)數(shù)器從780000清零，說(shuō)明此時(shí)延時(shí)了780ms的時(shí)間以便完成溫度轉(zhuǎn)換 上圖中： 狀態(tài)機(jī)從狀態(tài)RD_CMD跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)RD_DATA bit_cnt從0計(jì)數(shù)到F，說(shuō)明讀取了16個(gè)數(shù)據(jù)；與此同時(shí)，總線上也在分別輸出“0”和“1” 上圖中： data是直接從DS18B20溫度寄存器中讀取的數(shù)據(jù)0000000111111001 temp_data是處理后發(fā)送給數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)3156，對(duì)應(yīng)攝氏度31.56 3、上板調(diào)試 添加數(shù)碼管顯示模塊，編譯工程，板卡顯示如下： 和用調(diào)試軟件抓取的結(jié)果一致。 4、參考 DS18B20—Dalas Semiconductor FPGA Verilog 開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南—基于 Intel Cyclone IV—野火電子
評(píng)論