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第二十七章DS18B20数字温度传感器实验
DS18B20是一种常用的数字温度传感器，输出数字信号表示温度，体积小，硬件成本低，抗干扰能力强，精度高，包装形式多样，适用于各种狭窄的空间设备数字温度测量和控制领域，也可用于锅炉温度、机房温度、农业温室温度、洁净室温度、弹药库温度等非极限温度场合。本章我们将使用FPGA学习如何使用开发板DS18B20温度测量。 本章包括以下几个部分： 2626.1简介 26.2实验任务 26.3硬件设计 26.4程序设计 26.5下载验证
27.1简介 温度传感器（temperature transducer）它是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，是各种传感器中最常用的一种。早期使用的是模拟温度传感器，如热敏电阻着环境温度的变化，电阻值也会发生变化。用处理器收集电阻两端的电压，然后根据给定的公式计算当前的环境温度。随着科学技术的进步，现代温度传感器已经数字化，形状小，接口简单，广泛应用于生产实践的各个领域，为我们的生活提供便利。随着现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的重要方向。美国DALLAS半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20采用单总线协议，即与FPGA只需占用一个接口I/O端口直接将环境温度转化为数字信号，无需任何外部元件，并以数字方式串行输出，大大简化了传感器和FPGA接口设计。 DS18B20测量温度范围-55 125℃，精度为±0.5℃。现场（实时）温度直接通过单总线的数字传输，大大提高了系统的抗干扰性。它可以直接读取测量的温度，并根据实际要求实现9l2位数字值读数法。它工作在3~5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中间，断电后仍保存。其内部结构如图所示 27.1.1所示：
图 27.1.1 DS18B20内部结构 DS18B20的内部结构主要由8部分组成：64位ROM单线接口、存储器和控制逻辑、高速缓存器、温度传感器、配置寄存器TH、低温触发器TL、8位CRC生成器。FPGA如何控制才能让DS18B工作并读取温度数据？ 首先，让我们来看看操作DS18B20的命令： DS18B20命令分为两类，即ROM功能命令和RAM功能命令。ROM对64位的功能命令ROM操作。64位ROM具体内容如下图所示：
图 27.1.2 64位ROM内容 64位ROM中间的序列号在出厂前被光刻可视为DS18B20地址序列码。每个人的排列顺序是开始8位是产品类型的标签，接下来48位是DS18B20自己的序列号，最后8位是前56位CRC循环冗余校准码(CRC=X8 X5 X4 1)。光刻ROM它的作用是让每一个DS18B20都不一样，这样一条总线就可以挂多个DS18B20的目的。对应的命令如下五条： 1）33H：读ROM 该命令允许总线控制器（FPGA）读取DS18B8位系列编码，唯一的序列号和8位CRC代码。总线上只有一个单一的存在DS18B该命令只能在20点使用。 7)55H：匹配ROM 发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，让总线控制器（FPGA）在多点总线上定位一个特定的DS18B20。只有和64位ROM完全匹配序列DS18B20会做出反应。所有64位ROM序列不匹配DS18B20将等待复位脉冲。当总线上有单个或多个设备时，可以使用此命令。 8)CCH：跳过ROM 该命令允许总线控制器（FPGA）不用提供64位ROM编码在单点总线(一个DS18B20)可以节省时间。如果总线上有不止一个从机，跳过ROM命令结束后，发送阅读命令。由于多个从机器同时发送信号，数据冲突发生在总线上（漏极开路上拉效果相当于相和）。 9)F0H：搜索ROM 当系统首次启动时，总线控制器可能不知道总线上有多少器件或64位ROM编码。搜索ROM命令允许总线控制器用排除法识别总线上的一切DS18B20的64位编码。 10)ECH：报警搜索命令 发出此命令后，只有温度超过设定值的上限或下限DS18B20做出反应。只要需要注意，DS18B20不断电，报警状态将保持，直到再次测量的温度值达不到报警条件。 以下是上述指令的用法。当主机需要很多在线DS18B在操作20中的一个时，首先要逐个与主机相匹配DS18B20挂接，读出其序列号；然后把所有的DS18B20挂在总线上，主机发出匹配ROM命令(55H)之后，主机提供了64位ROM编码(包括这个DS18B2048位序列号)之后的操作是针对DS18B20。 若主机只对一个DS18B20操作不需要读取ROM编码和匹配ROM编码，只要跳过ROM（CCH下一步操作高速缓存器是命令)。 主机发出对ROM操作命令后，将进一步发步发布对RAM命令。在这里RAM主要是指高速缓存器。先了解高速缓存器的数据结构，如下图所示：
图 27.1.3 数据结构的高速缓存器 由上图可知DS18B20高速缓存器共有9个8位寄存器，其中温度数据较低（LSB）对应字节地址0，高温数据（MSB）对应字节地址1，以此类推，配置寄存器的字节地址为4。温度数据存储格式如下：
图 27.1.4 温度数据格式 DS18B出厂时默认配置温度数据为12位，最高位为符号位，即温度值共11位，最低4位为小数位。FPGA读取温度数据时，一次读2字节共16位，读完后将低11位的二进制数转化为十进制数，再乘以0.实际温度值为0625。另外还需要判断温度的正负，前5个数字为符号位，这5位同时变化，我们只需要判断其中任何一位就可以了。当前5位为1时，读取温度为负值时，需要取反加1，乘以0.只有0625才能获得实际温度值。当前五名为0时，读取温度为正值，只要测量值乘以0.0625可获得实际温度值。 在了解了高速缓存器的数据结构后，可以用命令控制高速缓存器。DS18B20具有6条对RAM的命令： 1）44H：温度转换。 该命令启动温度转换。然后执行温度转换命令DS18B保持等待状态。如果总线控制器遵循此命令后的读取间隙DS18B如果20忙于时间转换，DS18B20将在总线上输出0，如果温度转换完成，则输出1。如果使用寄生电源，总线控制器必须在发出此命令后立即启动强拉，并保持500ms。低存入转换结果BYTE0、高位存入BYTE1。 11)BEH：读高速缓存器。 此命令读取临存器的内容。读取将从BYTE0开始，一直进行下去，直到第9个字节（BYTE8，CRC）读完。如果不想读完所有字节，控制器可以随时发出复位命令终止读取。另外需要注意的是，字节内容是最低的，先传输。 12)4EH：写暂存器。 这个命令向DS18B在20个高速缓存器中写入数据，从地址2开始。接下来的两个字节将存储在高速缓存器的字节地址2和3的高低温触发器中。复位命令可以随时终止。 13)48H：复制高速缓存器 该命令将高速缓存器的内容复制到DS18B20的E2PROM将温度报警触发字节存储在非易失性存储器中。如果总线控制器遵循此命令后的读取间隙DS18B20又忙着把暂存器复制到了E2PROM存储器，DS18B如果复制结束，20将输出0DS18B20输出1。如果使用寄生电源，总线控制器必须在此命令发出后立即启动，并至少保持10ms。 14)B8H：重调E2PROM 这条命令把E2PROM高速缓存器中的值拷回。这种拷回操作在DS18B20上电时自动执行，使设备上电时高速缓存器中立即存在有效数据。如果此命令发出后发出阅读间隙，设备将输出忙碌的温度转换标志：0=忙，“1”=完成。 15)B4H：读供电方式 读DS18B20的供电方式。若把这条命令发给DS18B20后发出读时间隙，器件会返回它的电源模式：“0”=寄生电源，“1”=外部电源。 知道了DS18B20的结构和命令，那么我们该如何发送命令和接收数据呢？ 由于DS18B20温度传感器采用单总线的方式进行通信，因此我们先简略的介绍一下单总线通信的原理。 单总线传输的定义：顾名思义，即主机和从机用一根总线进行通信，是一种半双工的通信方式，单线=时钟线+数据线+控制线（+电源线）。理想状况下一条总线上的从器件数量几乎不受数量限制。 单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。但由于只有一根总线，驱动能力一般较差，不能接过多的从器件，实际使用中，一般最多只能接8个从器件；抗干扰能力较差，一般只能在中短距离的低速传输中使用；软件设计复杂，事物往往有两面性，硬件部分的简单往往需要软件在复杂度上做出牺牲。 单总线传输就如同一根独木桥，行走于独木桥上的各种信号必须严格遵守通信协议才能“安全过桥”。接下来我们就简单的介绍一下数据是如何传输的。 单总线通信协议为确保数据的完整性，定义了如下几种单线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。 单总线协议中主机和从机（DS18B20）间的任何通讯都需要以初始化序列开始，初始化序列见下图。
图 27.1.5 初始化时序图 一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明DS18B20已经准备好发送和接收数据（适当的ROM命令和RAM操作命令）。主机输出低电平，保持低电平时间至少480us，以产生复位脉冲。接着主机释放总线，4.7K的上拉电阻将单总线拉高，延时15～60us，此时DS18B20拉低总线60~240us，以产生低电平存在脉冲以应答主机。 初始化完成之后，主机就可以向从机读写数据。读写数据涉及到读写时隙的概念。在单总线通信协议中，读写时隙的概念十分重要，当主机向从机输出数据时产生写时隙，当主机从从机读取数据时产生读时隙，每一个时隙总线只能传输一位数据。无论是在读时隙还是写时隙，它们都以主机拉低数据线开始，数据线的下降沿使从设备触发其内部的延时电路，使之与主机同步。在写时隙内，该延迟电路决定从设备采样数据线的时间延迟。 单总线通信协议中写时隙有两种：写1和写0。主机采用写1时隙向从机写入1，而采用写0时隙向从机写入0。所有写时隙至少要60us，且在两次独立的写时隙之间至少需要1us的恢复时间。两种写时隙均起始于主机拉低数据总线。产生写0时隙的方式：在主机拉低数据线后，只需要在整个时隙间保持低电平即可（至少60us）。产生1时隙的方式：主机拉低总线后，接着必须在15us之内释放总线，由上拉电阻将总线拉至高电平；在写时隙开始后15us~60us期间，单总线器件采样总电平状态。如果在此期间采样值为高电平，则逻辑1写入器件；如果为0，写入逻辑0，时隙图如下图所示：
图 27.1.6 写时隙图 对于读时隙，单总线器件仅在主机发出读数据命令后，才向主机传输数据。主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便从机能够传输数据。所有读时隙至少需要60us，且在两次独立的读时隙之间至少需要1us的恢复时间。每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1us。在主机发出读时隙之后，单总线器件才开始在总线上发送0或1。若从机发送1，则保持总线为高电平；若发出0，则拉低总线。当发送0时，从机在读时隙结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态。从机发出的数据在起始时隙之后，保持有效时间15us，因此主机在读时隙期间必须释放总线，并且在时隙起始后的15us之内采样总线状态，时隙图如下图所示：
图 27.1.7 读时隙图 在了解了单总线时序之后，我们来看看DS18B20的典型温度读取过程，DS18B20的典型温度读取过程为：初始化发跳过ROM命令（CCH）发开始转换命令（44H）延时初始化发送跳过ROM命令（CCH）发读存储器命令（BEH）连续读出两个字节数据(即温度)结束或开始下一循环。 27.2实验任务 本节实验任务是使用新起点FPGA开发板通过DS18B20采集温度，并将采集到的温度值（带符号位）用数码管显示。 27.3硬件设计 DS18B20的引脚图如下所示：
图 27.3.1 DS18B20引脚图 对于DS18B20而言，有两种供电方式：寄生电源和外部电源供电。 寄生电源供电时DS18B20的GND和VDD引脚都接地，DS18B20从数据线DQ上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量存储在内部电容，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）供电。使用这种电路供电时，要想使DS18B20进行精确的温度转换，IO线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，否则会造成无法转换温度或者温度误差极大。寄生电源供电方式如下图所示：
图 27.3.2 寄生电源供电 在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时理论上总线可以挂接任意多个DS18B20传感器。在使用外部供电方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度。外部电源供电方式是DS18B20最佳的供电方式，稳定可靠，抗干扰能力强。外部电源供电方式如下图所示：
图 27.3.3 外部电源供电 我们的新起点FPGA开发板上DS18B20采用外部电源供电，其原理图如下图所示：
图 27.3.4 DS18B20接口原理图 本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示： 表 27.3.1 温度传感器（DS18B20）数码管显示实验管脚分配
这里用到的也都是数码管的IO所以就不再给出TCL约束文件了，大家可以参考数码管实验的TCL约束文件。 27.4程序设计 根据实验任务，我们可以大致规划出系统的工作流程：FPGA控制DS18B20采集温度数据，并将收到的温度数据转换成十进制显示在数码管上。由此画出的功能框图如下图所示。
图 27.4.1 温度传感器数码管显示系统框图 程序中各模块端口及信号连接如下图所示：
图 27.4.2 顶层模块原理图 FPGA顶层（temp_disp）例化了以下两个模块：DS18B20驱动模块（ds18b20_dri）和数码管动态显示模块（seg_led），实现各模块间信号的交互。 DS18B20驱动模块（ds18b20_dri）：搭建单总线通信协议与DS18B20进行通信，并控制DS18B20采集温度，并将采集到温度值进行处理与输出。 数码管动态显示模块（seg_led）：将采集到的温度值显示到数码管上。 顶层模块的代码如下所示：
1 module temp_disp(
2 input sys_clk , //输入的系统时钟
3 input sys_rst_n , //输入的复位信号
4 inout dq , //ds18b20温度传感器单总线
5 output [5:0] sel , //输出数码管位选信号
6 output [7:0] seg_led //输出数码管段选信号
7 );
8
9 //parameter define
10 parameter POINT = 6'b000100; // 数码管小数点的位置
11
12 //wire define
13 wire [19:0] temp_data; // 温度数值
14 wire sign; // 符号位
15
16 //*****************************************************
17 //** main code
18 //*****************************************************
19
20 //例化动态数码管驱动模块
21 seg_led u_seg_led(
22 //module clock
23 .clk (sys_clk ), // 时钟信号
24 .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号
25 //seg_led interface
26 .seg_sel (sel ), // 位选
27 .seg_led (seg_led ), // 段选
28 //user interface
29 .data (temp_data), // 显示的数值
30 .point (POINT ), // 小数点具体显示的位置,从高到低,高电平有效
31 .en (1'b1 ), // 数码管使能信号
32 .sign (sign ) // 符号位（高电平显示“-”号）
33 );
34
35 //例化DS18B20驱动模块
36 ds18b20_dri u1_ds18b20_dri(
37 //module clock
38 .clk (sys_clk ), // 时钟信号（50MHz）
39 .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号
40 //user interface
41 .dq (dq ), // DS18B20的DQ引脚数据
42 .temp_data (temp_data), // 转换后得到的温度值
43 .sign (sign ) // 符号位
44 );
45
46 endmodule
代码第10行的POINT参数用于控制数码管小数点的显示位置，小数点显示在哪一位，哪一位就置“1”，本次实验保留温度值的小数点后两位，所以其参数值为“000100”。动态数码管显示模块请大家参考“动态数码管显示实验”，在该实验已详细介绍。 前面我们讲了控制DS18B20读取温度的顺序，可以发现，DS18B20的读写操作很适合使用状态机来实现，下图为DS18B20驱动模块的状态跳转图。
图 27.4.3 DS18B20驱动模块的状态转换图 DS18B20驱动模块使用三段式状态机来实现温度的读取，从上图可以比较直观的看到每个状态实现的功能以及跳转到下一个状态的条件。首先初始化，初始化完成后，由于单总线上只有一个DS18B20，所以可以跳过DS18B20的身份识别，即发送跳过ROM命令，进入写字节状态，向DS18B20发送该命令；发送完该命令后发送温度转换命令进行温度转换，状态机再次进入写字节状态；写完温度转换命令后，为了兼容寄生电源供电，进入延时状态以适当的延时，延时结束后，进入初始化状态，初始化完成后发送跳过ROM命令，进入写字节状态；写完跳过ROM命令后，发送读取温度命令，从DS18B20中读取温度数据，读取完温度数据后，再次进入初始化状态以循环操作。 因为代码较长，只粘贴了第二段状态机组合逻辑状判断状态转换条件的源代码，代码如下：
87 //组合逻辑判断状态转换条件
88 always @( * ) begin
89 case(cur_state)
90 init: begin // 初始化状态
91 if (init_done)
92 next_state = rom_skip;
93 else
94 next_state = init;
95 end
96 rom_skip: begin // 跳过ROM命令
97 if(st_done)
98 next_state = wr_byte;
99 else
100 next_state = rom_skip;
101 end
102 wr_byte: begin // 写字节状态
103 if(st_done)
104 case(cmd_cnt) // 写不同命令的字节
105 4'b1: next_state = temp_convert;
106 4'd2: next_state = init;
107 4'd3: next_state = rd_temp;
108 4'd4: next_state = rd_byte;
109 default: next_state = temp_convert;
110 endcase
111 else
112 next_state = wr_byte;
113 end
114 temp_convert: begin // 温度转换命令
115 if(st_done)
116 next_state = wr_byte;
117 else
118 next_state = temp_convert;
119 end
120 rd_temp: begin // 读温度命令
121 if(st_done)
122 next_state = wr_byte;
123 else
124 next_state = rd_temp;
125 end
126 rd_byte: begin // 读字节状态
127 if(st_done)
128 next_state = init;
129 else
130 next_state = rd_byte;
131 end
132 default: next_state = init;
133 endcase
134 end
代码综合后的状态机如下图所示，同我们规划的状态转换相符。
图 27.4.4 综合后的状态机 27.5下载验证 首先将DS18B20接插到新起点开发板上的单总线接口，如下图所示。然后连接电源线和JTAG并打开电源开关。
图 27.5.1 插入DS18B20 接下来我们下载程序，验证温度传感器数码管显示实验的功能。下载完成后，实验结果如下图所示，数码管上显示读取到的温度值，与用室内温度计测量到的温度值接近，说明温度传感器数码管显示实验下载验证成功。需要说明的是，下载完成后，开始显示的是“0.00”，短暂的显示“0.00”后显示“85.00”，这过程不超过1秒，然后显示当前环境温度值，出现这种现象的原因是在进行温度转换化时有500ms的延时，这500ms的延时是为了兼容寄生电源供电，此时显示“0.00”，延时结束后温度转换并未结束，此时读到的温度值为DS18B20的默认值85，故而显示“85.00”，转换结束后读到的值为当前环境温度值。
图 27.5.2 实验结果