我们将对照原味的“ 英文手册 ”来分析

实在看不懂还可以戳这里中文手册传送门！！！

全英语，算了吧。 别急，原子哥给出中文版的结构图，一目了然 DS18B20的内部结构主要由8部分组成：

温馨提示：命令解释有点麻烦。我们可以把这部分作为数据来查看。现在我们也可以直接去看命令用法

ROM功能命令是操作这一块 只读 ”的存储器 64位ROM具体内容如下图所示：

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：产品类型标号开始8位，接下来是48位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目的。相应的命令如下五条:

• 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码。 只有在总线上才存在DS18B该命令只能在20点使用。

• 55H：匹配ROM 发出这个命令后，然后发出64人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。

• 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好 于相与）。

• 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所有DS18B20的64位编码。

• 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。

RAM功能命令是操作RAM随机存取存储器，我们这里的RAM主要指高速缓存器，让我们来看看它的数据结构

由上图可知DS18B20的高速缓存器共有9个8位寄存器，其中低温数据（LSB）对应字节地址0，高温数据（MSB）对应字节地址1，以此类推，配置寄存器字节地址为4。温度数据存储格式如下图所示：

分析上图：

①DS18B20出厂时默认配置温度数据12位，其中最高位为符号位，即温度值共11位，最低四位为小数位。

②FPGA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。

③此外，还需要判断温度正负，前五个数字是符号位，这五位同时改变，我们只需要判断其中任何一个。。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，读取的温度为正值，只要测量值乘以0.0625可获得实际温度值。

DS18B20具有6条对RAM的命令：

• 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BYTE1。

• BEH：读高速缓存器 此命令读取临存器的内容。读取将从BYTE从0开始，一直持续到9字节（BYTE8，CRC）读完。如果不想读完所有字节，控制器可以在任何时间发出复位命令来终止读取。另外需要注意的是，字节内容都是最低位先传送。

• 4EH：写暂存器 这个命令向DS18B20的高速缓存器中写入数据，开始位置在地址2。接下来写入的两个字节将被存到高速缓存器的字节地址位2和3的高、低温触发器。可以在任何时刻发出复位命令来终止写入。

• 48H：复制高速缓存器 这条命令把高速缓存器的内容拷贝到DS18B20的E2PROM存储器中，即把温度报警触发字节存入非易失性存储器里。如果总线控制器在这条命令之后跟着发出读时间隙，而DS18B20又正在忙于把暂存器拷贝到E2PROM存储器，DS18B20就会输出一个“0”，如果拷贝结束的话，DS18B20则输出“1”。如果使用寄生电源，总线控制器必须在这条命令发出后立即起动强上拉并最少保持10ms。

• B8H：重调E2PROM 这条命令把E2PROM里的值拷回高速缓存器。这种拷回操作在DS18B20上电时自动执行，这样器件一上电高速缓存器里马上就存在有效的数据了。若在这条命令发出之后发出读时间隙，器件会输出温度转换忙的标识：“0”=忙，“1”=完成。

• 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。

阅读数据手册：

大致意思就是访问这个温度传感器有三个步骤：

1.初始化时序 2.使用ROM命令匹配总线上相应的传感器 3.使用RAM命令读取温度，最后回到初始化时序

下面介绍以上几条指令的用法。当主机（FPGA）需要对众多在线DS18B20中的某一个进行操作时：

首先应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号；然后再将所有的DS18B20挂接到总线上，主机发出匹配ROM命令(55H)之后，主机紧接着提供的64位ROM编码(包括该DS18B20的48位序列号) 之后的操作就是针对该DS18B20的RAM命令。

如果主机只对一个DS18B20进行操作，就不需要读取ROM编码以及匹配ROM编码，只要用跳过ROM（CCH命令)，就可进行下一步对高速缓存器的操作。 主机发出对ROM的操作命令之后，就进一步发出对RAM的命令。这里的RAM主要是指高速缓存器

整个DS18B20的温度读取过程为：

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。

初始化分为3个部分： 主机（FPGA）发送复位脉冲→主机释放总线→DS18B20发出存在脉冲（FPGA接收存在脉冲） 初始化序列见下图。：

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：

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：

实验任务：

1.使用状态机编写温度传感器驱动 2.在数码管上实时显示温度

首先我们分析温度传感器驱动需要哪些状态

我们访问此传感器并获取温度 首先需要进行①初始化，而初始化又包括发送复位脉冲，释放总线，发送存在脉冲 然后②发送跳过ROM命令，发送此命令之后就能访RAM问高速缓存器了，而温度值就存储在里面 之后③发送温度转换命令，手册中说明了默认配置温度数据为12位，查表可知，转换12位的温度数据需要最多750ms，所以我们在发送了温度转换命令之后需要延时750ms

④发送读取温度指令，也就是读高速缓存器命令，从低位开始读 ⑤读取温度值，温度数据存储在 byte0 和byte1，所以我们只需要读取这两个字节的数据即可

注意：发送指令以及读取温度数据存在 读写数据操作，这就需要用到读写时隙，所以上面列出的步骤中省略的 产生读写时隙可以作为” 从状态机” ，而总的步骤作为“ 主状态机 ”

DS18B20 驱动模块主状态机

• M_IDLE:空闲状态，等待开始通信；
• M_RST:发送复位脉冲；
• M_REL:释放总线；
• M_RACK:接收存在脉冲；
• M_RSKP:发送跳过 ROM 指令；
• M_SCON:发送温度转换命令；
• M_WAIT:等待 750ms；
• M_SRTM:发送温度读取指令；
• M_RTMP:读取温度值；

DS18B20 驱动模块从状态机

• S_IDLE:空闲状态，等待传输请求；
• S_LOW:发数据前先拉低 1us;
• S_SEND:发送 1bit 数据；
• S_SAMP:接收 1bit 数据；
• S_RELE:释放总线；
• S_DONE:发送/接收一次数据完成；

从状态机思路： 我们这里将从状态机分为两类，即写时隙和读时隙

写时隙：写数据时主机向从机发数据

• 首先进入S_LOW状态，拉低总线，保持（>=1us）
• 然后进入S_SEND状态，由主机发送数据，单总线器件采样总电平状态（15us~60us）
• 最后,进入S_RELE状态，主机释放总线（>=1us）
• 释放完成，进入S_DONE状态

读时隙：读数据时从机向主机发送数据

• 首先进入S_LOW状态，拉低总线，保持（>=1us）
• 然后进入S_SAMP状态，由从机发送数据（主机接收数据），主机采样数据（<=15us）
• 最后,进入S_RELE状态，主机释放总线（>=1us）
• 释放完成，进入S_DONE状态

如下图所示我们综合出来的从状态机转移图

DS18B20在出厂时默认配置温度数据为12位，其中最高位为符号位，即温度值共11位，最低四位为小数位。 FPGA在读取温度数据时，一次会读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后再乘以0.0625得到所测的实际温度值。 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。 前5位为1时，读取的温度为负值，则测到的数值需要取反加1再乘以0.0625才可得到实际温度值。前5位为0时，读取的温度为正值，只要将测得的数值乘以0.0625即可得到实际温度值。

注意：因为我们使用单总线通信，这里dq端口既是输入又是输出

处理方式：使用三态门

assign dq_in = dq;
assign dq = dq_out_en?dq_out:1'bz;

• dq：单总线
• en：主机发送使能
• dq_out：在en使能的时候，将dq_out的数据通过dq总线发送到从机
• dq_in：在en使能关闭的时候，将从机通过dq总线发送的数据输入到主机

module temp_detect (
    input                    clk     ,
    input                    rst_n   ,

    inout                    dq      ,   //传感器总线---单总线

    output       [5:0]       sel     ,   //数码管位选
    output       [7:0]       seg         //数码管段选
);

    wire                     dq_out       ; 
    wire                     dq_in        ;
    wire                     dq_out_en    ;
    wire                     temp_sign    ;  //温度正负
    wire         [23:0]      temp_out     ;  //温度值
    wire                     temp_out_vld ;  //温度值有效
    wire         [23:0]      dout         ;
    wire                     dout_vld     ;


    assign dq = dq_out_en ? dq_out : 1'bz;  //如果输出使能，则将dq_out的值赋给dq输出，反之则为高阻态输出
    assign dq_in=dq;    //接收dq输入信号

    //例化模块

    ds18b20_driver  u_ds18b20_driver(
        .clk                (clk         ),
        .rst_n              (rst_n       ),
        .dq_in              (dq_in       ),
        .dq_out             (dq_out      ),
        .dq_out_en          (dq_out_en   ),
        .temp_out           (temp_out    ),
        .temp_sign          (temp_sign   ),
        .temp_out_vld       (temp_out_vld)
    );


    control u_control(
        .clk                (clk         ),
        .rst_n              (rst_n       ),
        .temp_out           (temp_out    ),
        .temp_sign          (temp_sign   ),
        .temp_out_vld       (temp_out_vld),
        .dout               (dout        ),
        .dout_vld           (dout_vld    )
    );


    seg_driver  u_seg_driver(
        .clk                (clk         ),
        .rst_n              (rst_n       ),
        .temp_sign          (temp_sign   ),
        .dout               (dout        ),
        .dout_vld           (dout_vld    ),
        .sel                (sel         ),
        .seg                (seg         )
    );


endmodule //temp_detect

代码量有亿点点大😥 我们梳理一下大纲 整个驱动分为三个模块 总的来说

• 设置了一个1微妙的计数器作为基础单位，因为我们通信中的延时都是1微妙的倍数；
• 一个主状态机计数器，控制各个状态的延时时间；
• 一个从状态机计数器，控制读写时隙各个状态的延时时间；
• 一个比特计数器，因为主机与从机之间的通信是用命令来控制的，而这些命令都是8位的2进制数，读取温度的时候又需要读取两个字节（16位）的数据，所以需要一个比特计数器来控制读写的数据位数

①主状态机模块 宏观上来设置主机与从机之间通过单总线的通信过程，忽略收发数据的细节（也就是读写时隙），大致又分为两步：1.首先向从机发送温度转换命令；2.之后发送读取温度命令。

②从状态机模块 从微观上来描述主机发送指令或者主机读取温度产生的读写时隙，其中写时隙：首先从空闲状态进入拉低总线状态（代表开始读写了），然后发送1bit数据，之后释放总线，最后确定写数据是否结束，就看比特计数器是否记满8bit； 读时隙：首先从空闲状态进入拉低总线状态（代表开始读写了），然后读取1bit数据，之后释放总线，最后确定读数据是否结束，就看比特计数器是否记满16bit；

③温度转换模块 这个模块就比较简单了，主要任务就是输出我们与温度传感器通信之后得到的正确温度数据