STEP FPGA驱动温度传感器DS18B20Z
本节将和大家一起使用FPGA驱动底板上的DS18B20Z单总线温度传感器进行温度数据的采集。
硬件说明
DS18B20是我们日常设计中常用的一款温度传感器芯片，只需要一根总线就可以实现通信，非常的方便，我们的STEP-BaseBoard底板上就集成了温度传感器DS18B20Z，下面我们就一起来学习一下它的硬件链接及驱动方法。
DS18B20Z只有一根总线，硬件电路非常简单，但是一定记得总线需要做上拉处理，如下图总线上连接了10K（上拉电阻取值可以一定范围内自行调整）的上拉电阻，另外我们使用FPGA驱动，一定记得将FPGA对应的管脚同样作上拉配置，重要的事情说三遍，总线上拉，总线上拉，总线上拉。
聊完硬件连接，接下来简要介绍如何驱动（更加详细的信息需要大家参考数据手册），不同的功能需求对应不同寄存器配置，本设计执行的操作案例如下。
下面为大家展示上述案例中每个环节的时序要求：
Verilog代码
// -------------------------------------------------------------------- // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< // -------------------------------------------------------------------- // Module:DS18B20Z // // Author: Step // // Description: Drive DS18B20Z to get temperature code // // Web: www.stepfpga.com // // -------------------------------------------------------------------- // Code Revision History : // -------------------------------------------------------------------- // Version: |Mod. Date: |Changes Made: // V1.0 |2015/11/11 |Initial ver // -------------------------------------------------------------------- module DS18B20Z ( input clk_in, //系统时钟 input rst_n_in, //系统复位，低有效 inout one_wire, //DS18B20Z传感器单总线，双向管脚 output reg [15:0] data_out //DS18B20Z有效温度数据输出 ); /* 本设计通过驱动DS18B20Z芯片获取温度数据， 需要了解inout类型的接口如何实现双向通信， 中间涉及各种不同的延时和寄存器指令操作，注释部分以作简要说明，更多详情需参考数据手册 */ localparam IDLE = 3'd0; localparam MAIN = 3'd1; localparam INIT = 3'd2; localparam WRITE = 3'd3; localparam READ = 3'd4; localparam DELAY = 3'd5; //计数器分频产生1MHz的时钟信号 reg clk_1mhz; reg [2:0] cnt_1mhz; always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin if(!rst_n_in) begin cnt_1mhz <= 3'd0; clk_1mhz <= 1'b0; end else if(cnt_1mhz >= 3'd5) begin cnt_1mhz <= 3'd0; clk_1mhz <= ~clk_1mhz; //产生1MHz分频 end else begin cnt_1mhz <= cnt_1mhz + 1'b1; end end reg [2:0] cnt; reg one_wire_buffer; reg [3:0] cnt_main; reg [7:0] data_wr; reg [7:0] data_wr_buffer; reg [2:0] cnt_init; reg [19:0] cnt_delay; reg [19:0] num_delay; reg [3:0] cnt_write; reg [2:0] cnt_read; reg [15:0] temperature; reg [7:0] temperature_buffer; reg [2:0] state = IDLE; reg [2:0] state_back = IDLE; //使用1MHz时钟信号做触发完成下面状态机的功能 always@(posedge clk_1mhz or negedge rst_n_in) begin if(!rst_n_in) begin state <= IDLE; state_back <= IDLE; cnt <= 1'b0; cnt_main <= 1'b0; cnt_init <= 1'b0; cnt_write <= 1'b0; cnt_read <= 1'b0; cnt_delay <= 1'b0; one_wire_buffer <= 1'bz; temperature <= 16'h0; end else begin case(state) IDLE:begin //IDLE状态，程序设计的软复位功能，各状态异常都会跳转到此状态 state <= MAIN; //软复位完成，跳转之MAIN状态重新工作 state_back <= MAIN; cnt <= 1'b0; cnt_main <= 1'b0; cnt_init <= 1'b0; cnt_write <= 1'b0; cnt_read <= 1'b0; cnt_delay <= 1'b0; one_wire_buffer <= 1'bz; end MAIN:begin //MAIN状态控制状态机在不同状态间跳转，实现完整的温度数据采集 if(cnt_main >= 4'd11) cnt_main <= 1'b0; else cnt_main <= cnt_main + 1'b1; case(cnt_main) 4'd0: begin state <= INIT; end //跳转至INIT状态进行芯片的复位及验证 4'd1: begin data_wr <= 8'hcc;state <= WRITE; end //主设备发出跳转ROM指令 4'd2: begin data_wr <= 8'h44;state <= WRITE; end //主设备发出温度转换指令 4'd3: begin num_delay <= 20'd750000;state <= DELAY;state_back <= MAIN; end //延时750ms等待转换完成 4'd4: begin state <= INIT; end //跳转至INIT状态进行芯片的复位及验证 4'd5: begin data_wr <= 8'hcc;state <= WRITE; end //主设备发出跳转ROM指令 4'd6: begin data_wr <= 8'hbe;state <= WRITE; end //主设备发出读取温度指令 4'd7: begin state <= READ; end //跳转至READ状态进行单总线数据读取 4'd8: begin temperature[7:0] <= temperature_buffer; end //先读取的为低8位数据 4'd9: begin state <= READ; end //跳转至READ状态进行单总线数据读取 4'd10: begin temperature[15:8] <= temperature_buffer; end //后读取的为高8为数据 4'd11: begin state <= IDLE;data_out <= temperature; end //将完整的温度数据输出并重复以上所有操作 default: state <= IDLE; endcase end INIT:begin //INIT状态完成DS18B20Z芯片的复位及验证功能 if(cnt_init >= 3'd6) cnt_init <= 1'b0; else cnt_init <= cnt_init + 1'b1; case(cnt_init) 3'd0: begin one_wire_buffer <= 1'b0; end //单总线复位脉冲拉低 3'd1: begin num_delay <= 20'd500;state <= DELAY;state_back <= INIT; end //复位脉冲保持拉低500us时间 3'd2: begin one_wire_buffer <= 1'bz; end //单总线复位脉冲释放，自动上拉 3'd3: begin num_delay <= 20'd100;state <= DELAY;state_back <= INIT; end //复位脉冲保持释放100us时间 3'd4: begin if(one_wire) state <= IDLE; else state <= INIT; end //根据单总线的存在检测结果判定是否继续 3'd5: begin num_delay <= 20'd400;state <= DELAY;state_back <= INIT; end //如果检测正常继续保持释放400us时间 3'd6: begin state <= MAIN; end //INIT状态操作完成，返回MAIN状态 default: state <= IDLE; endcase end WRITE:begin //按照DS18B20Z芯片单总线时序进行写操作 if(cnt <= 3'd6) begin //共需要发送8bit的数据，这里控制循环的次数 if(cnt_write >= 4'd6) begin cnt_write <= 1'b1; cnt <= cnt + 1'b1; end else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; cnt <= cnt; end end else begin if(cnt_write >= 4'd8) begin cnt_write <= 1'b0; cnt <= 1'b0; end //两个变量都恢复初值 else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; cnt <= cnt; end end //对于WRITE状态中cnt_write来讲，执行过程为：0;[1~6]*8;7;8; case(cnt_write) //lock data_wr 4'd0: begin data_wr_buffer <= data_wr; end //将需要写出的数据缓存 //发送 1bit 数据的用时在60~120us之间，参考数据手册 4'd1: begin one_wire_buffer <= 1'b0; end //总线拉低 4'd2: begin num_delay <= 20'd2;state <= DELAY;state_back <= WRITE; end //延时2us时间，保证15us以内 4'd3: begin one_wire_buffer <= data_wr_buffer[cnt]; end //先发送数据最低位 4'd4: begin num_delay <= 20'd80;state <= DELAY;state_back <= WRITE; end //延时80us时间 4'd5: begin one_wire_buffer <= 1'bz; end //总线释放 4'd6: begin num_delay <= 20'd2;state <= DELAY;state_back <= WRITE; end //延时2us时间 //back to main 4'd7: begin num_delay <= 20'd80;state <= DELAY;state_back <= WRITE; end //延时80us时间 4'd8: begin state <= MAIN; end //返回MAIN状态 default: state <= IDLE; endcase end READ:begin //按照DS18B20Z芯片单总线时序进行读操作 if(cnt <= 3'd6) begin //共需要接收8bit的数据，这里控制循环的次数 if(cnt_read >= 3'd5) begin cnt_read <= 1'b0; cnt <= cnt + 1'b1; end else begin cnt_read <= cnt_read + 1'b1; cnt <= cnt; end end else begin if(cnt_read >= 3'd6) begin cnt_read <= 1'b0; cnt <= 1'b0; end //两个变量都恢复初值 else begin cnt_read <= cnt_read + 1'b1; cnt <= cnt; end end case(cnt_read) //读取 1bit 数据的用时在60~120us之间，总线拉低后15us时间内读取数据，参考数据手册 3'd0: begin one_wire_buffer <= 1'b0; end //总线拉低 3'd1: begin num_delay <= 20'd2;state <= DELAY;state_back <= READ; end //延时2us时间 3'd2: begin one_wire_buffer <= 1'bz; end //总线释放 3'd3: begin num_delay <= 20'd5;state <= DELAY;state_back <= READ; end //延时5us时间 3'd4: begin temperature_buffer[cnt] <= one_wire; end //读取DS18B20Z返回的总线数据，先收最低位 3'd5: begin num_delay <= 20'd60;state <= DELAY;state_back <= READ; end //延时60us时间 //back to main 3'd6: begin state <= MAIN; end //返回MAIN状态 default: state <= IDLE; endcase end DELAY:begin //延时控制 if(cnt_delay >= num_delay) begin //延时控制，延时时间由num_delay指定 cnt_delay <= 1'b0; state <= state_back; //很多状态都需要延时，延时后返回哪个状态由state_back指定 end else cnt_delay <= cnt_delay + 1'b1; end endcase end end assign one_wire = one_wire_buffer; endmodule
小结
本节主要为大家讲解了DS18B20Z的驱动方法及软件实现，需要大家掌握的同时自己创建工程，通过整个设计流程，生成FPGA配置文件加载测试。
如果你对Diamond软件的使用不了解，请参考这里：Diamond的使用。
相关资料
使用STEP-MXO2第二代的基于DS18B20Z的温度计设计程序: 后续会有下载连接 待更新
使用STEP-MAX10的基于DS18B20Z的温度计设计程序: 后续会有下载连接 待更新