1. DS18B20简介
DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出数字信号来表示温度，具有体积小，硬件开发开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。
由于封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域，也可应用于锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种场合。
DS18B20测量温度范围为-55~+125℃，精度为+/-0.5℃,最大转换时间为750ms。
1.1 命令
DS18B20的命令分为两类，分别是ROM功能命令和RAM功能命令。
ROM功能命令是对64位ROM进行操作：
33H：读ROM
55H：匹配ROM
CCH：跳过ROM
F0H：搜索ROM
ECH：报警搜索命令
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），就可以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。
如果使用寄生电源，总控制器必须在发出温度转换后立即启动强上拉，并保持500ms
1.2 数据格式
DS18B20在出厂时默认配置温度数据位为12位（补码），其中最高位为符号位。即温度值共11位，最低四位为小数位；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。BYTE1前5位同时变化，前5位均为1时，读取的温度为负值。
1.3 数据时序
主机和从机（DS18B20）间的任何通讯都需要以初始化序列开始：
每次读写操作至少需要60us，在两次写操作之间至少需要1us的恢复时间；
写操作起始于主机拉低数据总线：
写0：在主机拉低数据线后，保持低电平即可（至少60us）；
写1：主机拉低总线（至少1us）后，接着必须在15us之内释放总线
在写操作开始后15us~60us期间，单总线期间采样总电平状态。
如果在此期间采样值为高电平，则逻辑1写入期间；如果为0，写入逻辑0。
每次读操作至少要60us，在两次读操作期间至少需要1us的恢复时间；
读操作由主机发起，至少拉低总线1us。
在主机发起读操作之后，单总线器件才开始在总线上发送0或1.
若主机发送1，则保持总线为高电平；若发出0，则拉低总线。
从机发出的数据在其实时隙之后，保持有效时间15us，因此主机在读时隙器件必须释放总线，并且在时隙起始后的15us之内采样总线状态。
DS18B20的典型温度读取过程：
初始化->发跳过ROM命令（CCH）->发温度转换命令（44H）->延时->初始化->发跳过ROM命令（CCH）->发读存储器命令（BEH）->连续读出两个字节温度数据->结束或开始下一循环。
2. 程序设计
使用FOGA开发板通过DS18B20采集温度，并将采集的温度值（带符号位）用数码管显示。
系统框图
代码
module temp_disp(
input sys_clk , //输入的系统时钟
input sys_rst_n , //输入的复位信号
inout dq , //ds18b20温度传感器单总线
output [5:0] sel , //输出数码管位选信号
output [7:0] seg_led //输出数码管段选信号
);
//parameter define
parameter POINT = 6'b000100; // 数码管小数点的位置
//wire define
wire [19:0] temp_data; // 温度数值
wire sign; // 符号位
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//例化动态数码管驱动模块
seg_led u_seg_led(
//module clock
.clk (sys_clk ), // 时钟信号
.rst_n (sys_rst_n), // 复位信号
//seg_led interface
.seg_sel (sel ), // 位选
.seg_led (seg_led ), // 段选
//user interface
.data (temp_data), // 显示的数值
.point (POINT ), // 小数点具体显示的位置,从高到低,高电平有效
.en (1'b1 ), // 数码管使能信号
.sign (sign ) // 符号位（高电平显示“-”号）
);
//例化DS18B20驱动模块
ds18b20_dri u1_ds18b20_dri(
//module clock
.clk (sys_clk ), // 时钟信号（50MHz）
.rst_n (sys_rst_n), // 复位信号
//user interface
.dq (dq ), // DS18B20的DQ引脚数据
.temp_data (temp_data), // 转换后得到的温度值
.sign (sign ) // 符号位
);
endmodule
module ds18b20_dri(
//module clock
input clk , // 时钟信号（50MHz）
input rst_n , // 复位信号
//user interface
inout dq , // DS18B20的DQ引脚数据
output reg [19:0] temp_data , // 转换后得到的温度值
output reg sign // 符号位
);
//parameter define
localparam ROM_SKIP_CMD = 8'hcc; // 跳过 ROM 命令
localparam CONVERT_CMD = 8'h44; // 温度转换命令
localparam READ_TEMP = 8'hbe; // 读 DS1820 温度暂存器命令
//state define
localparam init = 3'd1 ; // 初始化状态
localparam rom_skip = 3'd2 ; // 加载跳过ROM命令
localparam wr_byte = 3'd3 ; // 写字节状态
localparam temp_convert = 3'd4 ; // 加载温度转换命令
localparam delay = 3'd5 ; // 延时等待温度转换结束
localparam rd_temp = 3'd6 ; // 加载读温度命令
localparam rd_byte = 3'd7 ; // 读字节状态
//reg define
reg [ 4:0] cnt ; // 分频计数器
reg clk_1us ; // 1MHz时钟
reg [19:0] cnt_1us ; // 微秒计数
reg [ 2:0] cur_state ; // 当前状态
reg [ 2:0] next_state ; // 下一状态
reg [ 3:0] flow_cnt ; // 流转计数
reg [ 3:0] wr_cnt ; // 写计数
reg [ 4:0] rd_cnt ; // 读计数
reg [ 7:0] wr_data ; // 写入DS18B20的数据
reg [ 4:0] bit_width ; // 读取的数据的位宽
reg [15:0] rd_data ; // 采集到的数据
reg [15:0] org_data ; // 读取到的原始温度数据
reg [10:0] data1 ; // 对原理温度进行符号处理
reg [ 3:0] cmd_cnt ; // 发送命令计数
reg init_done ; // 初始化完成信号
reg st_done ; // 完成信号
reg cnt_1us_en ; // 使能计时
reg dq_out ; // DS18B20的dq输出
//wire define
wire [19:0] data2 ; // 对处理后的进行转换处理
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
assign dq = dq_out;
//分频生成1MHz的时钟信号
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
cnt <= 5'b0;
clk_1us <= 1'b0;
end
else if(cnt < 5'd24) begin
cnt <= cnt + 1'b1;
clk_1us <= clk_1us;
end
else begin
cnt <= 5'b0;
clk_1us <= ~clk_1us;
end
end
//微秒计时
always @ (posedge clk_1us or negedge rst_n) begin
if (!rst_n)
cnt_1us <= 20'b0;
else if (cnt_1us_en)
cnt_1us <= cnt_1us + 1'b1;
else
cnt_1us <= 20'b0;
end
//状态跳转
always @ (posedge clk_1us or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
cur_state <= init;
else
cur_state <= next_state;
end
//组合逻辑状态判断转换条件
always @( * ) begin
case(cur_state)
init: begin // 初始化状态
if (init_done)
next_state = rom_skip;
else
next_state = init;
end
rom_skip: begin // 加载跳过ROM命令
if(st_done)
next_state = wr_byte;
else
next_state = rom_skip;
end
wr_byte: begin // 发送命令
if(st_done)
case(cmd_cnt) // 根据命令序号，判断下个状态
4'b1: next_state = temp_convert;
4'd2: next_state = delay;
4'd3: next_state = rd_temp;
4'd4: next_state = rd_byte;
default:
next_state = temp_convert;
endcase
else
next_state = wr_byte;
end
temp_convert: begin // 加载温度转换命令
if(st_done)
next_state = wr_byte;
else
next_state = temp_convert;
end
delay: begin // 延时等待温度转换结束
if(st_done)
next_state = init;
else
next_state = delay;
end
rd_temp: begin // 加载读温度命令
if(st_done)
next_state = wr_byte;
else
next_state = rd_temp;
end
rd_byte: begin // 读数据线上的数据
if(st_done)
next_state = init;
else
next_state = rd_byte;
end
default: next_state = init;
endcase
end
//整个操作步骤为初始化、发送跳过ROM操作命令、发送温度转换指令、
//再初始化、再发送跳过ROM操作指令、发送读数据指令。
always @ (posedge clk_1us or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
flow_cnt <= 4'b0;
init_done <= 1'b0;
cnt_1us_en <= 1'b1;
dq_out <= 1'bZ;
st_done <= 1'b0;
rd_data <= 16'b0;
rd_cnt <= 5'd0;
wr_cnt <= 4'd0;
cmd_cnt <= 3'd0;
end
else begin
st_done <= 1'b0;
case (next_state)
init:begin //初始化
init_done <= 1'b0;
case(flow_cnt)
4'd0:
flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
4'd1: begin //发出500us复位脉冲
cnt_1us_en <= 1'b1;
if(cnt_1us < 20'd500)
dq_out <= 1'b0;
else begin
cnt_1us_en <= 1'b0;
dq_out <= 1'bz;
flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
end
end
4'd2:begin //释放总线，等待30us
cnt_1us_en <= 1'b1;
if(cnt_1us < 20'd30)
dq_out <= 1'bz;
else
flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
end
4'd3: begin //检测响应信号
if(!dq)
flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
else
flow_cnt <= flow_cnt;
end
4'd4: begin //等待初始化结束
if(cnt_1us == 20'd500) begin
cnt_1us_en <= 1'b0;
init_done <= 1'b1; //初始化完成
flow_cnt <= 4'd0;
end
else
flow_cnt <= flow_cnt;
end
default: flow_cnt <= 4'd0;
endcase
end
rom_skip: begin //加载跳过ROM操作指令
wr_data <= ROM_SKIP_CMD;
flow_cnt <= 4'd0;
st_done <= 1'b1;
end
wr_byte: begin //写字节状态（发送指令）
if(wr_cnt <= 4'd7) begin
case (flow_cnt)
4'd0: begin
dq_out <= 1'b0; //拉低数据线，开始写操作
cnt_1us_en <= 1'b1; //启动计时器
flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
end
4'd1: begin //数据线拉低1us
flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
end
4'd2: begin
if(cnt_1us < 20'd60) //发送数据
dq_out <= wr_data[wr_cnt];
else if(cnt_1us < 20'd63)
dq_out <= 1'bz; //释放总线（发送间隔）
else
flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
end
4'd3: begin //发送1位数据完成
flow_cnt <= 0;
cnt_1us_en <= 1'b0;
wr_cnt <= wr_cnt + 1'b1;//写计数器加1
end
default : flow_cnt <= 0;
endcase
end
else begin //发送指令（1Byte）结束
st_done <= 1'b1;
wr_cnt <= 4'b0;
cmd_cnt <= (cmd_cnt == 3'd4) ? //标记当前发送的指令序号
3'd1 : (cmd_cnt+ 1'b1);
end
end
temp_convert: begin //加载温度转换命令
wr_data <= CONVERT_CMD;
st_done <= 1'b1;
end
delay: begin //延时500ms等待温度转换结束
cnt_1us_en <= 1'b1;
if(cnt_1us == 20'd500000) begin
st_done <= 1'b1;
cnt_1us_en <= 1'b0;
end
end
rd_temp: begin //加载读温度命令
wr_data <= READ_TEMP;
bit_width <= 5'd16; //指定读数据个数
st_done <= 1'b1;
end
rd_byte: begin //接收16位温度数据
if(rd_cnt < bit_width) begin
case(flow_cnt)
4'd0: begin
cnt_1us_en <= 1'b1;
dq_out <= 1'b0; //拉低数据线，开始读操作
flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
end
4'd1: begin
dq_out <= 1'bz; //释放总线并在15us内接收数据
if(cnt_1us == 20'd14) begin
rd_data <= {
dq,rd_data[15:1]};
flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1 ;
end
end
4'd2: begin
if (cnt_1us <= 20'd64) //读1位数据结束
dq_out <= 1'bz;
else begin
flow_cnt <= 4'd0;
rd_cnt <= rd_cnt + 1'b1;//读计数器加1
cnt_1us_en <= 1'b0;
end
end
default : flow_cnt <= 4'd0;
endcase
end
else begin
st_done <= 1'b1;
org_data <= rd_data;
rd_cnt <= 5'b0;
end
end
default: ;
endcase
end
end
//判断符号位
always @(posedge clk_1us or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
sign <= 1'b0;
data1 <= 11'b0;
end
else if(org_data[15] == 1'b0) begin
sign <= 1'b0;
data1 <= org_data[10:0];
end
else if(org_data[15] == 1'b1) begin
sign <= 1'b1;
data1 <= ~org_data[10:0] + 1'b1;
end
end
//对采集到的温度进行转换
assign data2 = (data1 * 11'd625)/ 7'd100;
//温度输出
always @(posedge clk_1us or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
temp_data <= 20'b0;
else
temp_data <= data2;
end
endmodule
module seg_led(
input clk , // 时钟信号
input rst_n , // 复位信号
input [19:0] data , // 6位数码管要显示的数值
input [5:0] point , // 小数点具体显示的位置,从高到低,高电平有效
input en , // 数码管使能信号
input sign , // 符号位（高电平显示“-”号）
output reg [5:0] seg_sel, // 数码管位选，最左侧数码管为最高位
output reg [7:0] seg_led // 数码管段选
);
//parameter define
localparam CLK_DIVIDE = 4'd10 ; // 时钟分频系数
localparam MAX_NUM = 13'd5000 ; // 对数码管驱动时钟(5MHz)计数1ms所需的计数值
//reg define
reg [ 3:0] clk_cnt ; // 时钟分频计数器
reg dri_clk ; // 数码管的驱动时钟,5MHz
reg [23:0] num ; // 24位bcd码寄存器
reg [12:0] cnt0 ; // 数码管驱动时钟计数器
reg flag ; // 标志信号（标志着cnt0计数达1ms）
reg [2:0] cnt_sel ; // 数码管位选计数器
reg [3:0] num_disp ; // 当前数码管显示的数据
reg dot_disp ; // 当前数码管显示的小数点
//wire define
wire [3:0] data0 ; // 个位数
wire [3:0] data1 ; // 十位数
wire [3:0] data2 ; // 百位数
wire [3:0] data3 ; // 千位数
wire [3:0] data4 ; // 万位数
wire [3:0] data5 ; // 十万位数
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//提取显示数值所对应的十进制数的各个位
assign data0 = data % 4'd10; // 个位数
assign data1 = data / 4'd10 % 4'd10 ; // 十位数
assign data2 = data / 7'd100 % 4'd10 ; // 百位数
assign data3 = data / 10'd1000 % 4'd10 ; // 千位数
assign data4 = data / 14'd10000 % 4'd10; // 万位数
assign data5 = data / 17'd100000; // 十万位数
//对系统时钟10分频，得到的频率为5MHz的数码管驱动时钟dri_clk
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
clk_cnt <= 4'd0;
dri_clk <= 1'b1;
end
else if(clk_cnt == CLK_DIVIDE/2 - 1'd1) begin
clk_cnt <= 4'd0;
dri_clk <= ~dri_clk;
end
else begin
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
dri_clk <= dri_clk;
end
end
//将20位2进制数转换为8421bcd码(即使用4位二进制数表示1位十进制数）
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n)
num <= 24'b0;
else begin
if (data5 || point[5]) begin //如果显示数据为6位十进制数，
num[23:20] <= data5; //则依次给6位数码管赋值
num[19:16] <= data4;
num[15:12] <= data3;
num[11:8] <= data2;
num[ 7:4] <= data1;
num[ 3:0] <= data0;
end
else begin
if (data4 || point[4]) begin //如果显示数据为5位十进制数，则给低5位数码管赋值
num[19:0] <= {
data4,data3,data2,data1,data0};
if(sign)
num[23:20] <= 4'd11; //如果需要显示负号，则最高位（第6位）为符号位
else
num[23:20] <= 4'd10; //不需要显示负号时，则第6位不显示任何字符
end
else begin //如果显示数据为4位十进制数，则给低4位数码管赋值
if (data3 || point[3]) begin
num[15: 0] <= {
data3,data2,data1,data0};
num[23:20] <= 4'd10; //第6位不显示任何字符
if(sign) //如果需要显示负号，则最高位（第5位）为符号位
num[19:16] <= 4'd11;
else //不需要显示负号时，则第5位不显示任何字符
num[19:16] <= 4'd10;
end
else begin //如果显示数据为3位十进制数，则给低3位数码管赋值
if (data2 || point[2]) begin
num[11: 0] <= {
data2,data1,data0};
//第6、5位不显示任何字符
num[23:16] <= {
2{
4'd10}};
if(sign) //如果需要显示负号，则最高位（第4位）为符号位
num[15:12] <= 4'd11;
else //不需要显示负号时，则第4位不显示任何字符
num[15:12] <= 4'd10;
end
else begin //如果显示数据为2位十进制数，则给低2位数码管赋值
if (data1 || point[1]) begin
num[ 7: 0] <= {
data1,data0};
//第6、5、4位不显示任何字符
num[23:12] <= {
3{
4'd10}};
if(sign) //如果需要显示负号，则最高位（第3位）为符号位
num[11:8] <= 4'd11;
else //不需要显示负号时，则第3位不显示任何字符
num[11:8] <= 4'd10;
end
else begin //如果显示数据为1位十进制数，则给最低位数码管赋值
num[3:0] <= data0;
//第6、5位不显示任何字符
num[23:8] <= {
4{
4'd10}};
if(sign) //如果需要显示负号，则最高位（第2位）为符号位
num[7:4] <= 4'd11;
else //不需要显示负号时，则第2位不显示任何字符
num[7:4] <= 4'd10;
end
end
end
end
end
end
end
//每当计数器对数码管驱动时钟计数时间达1ms，输出一个时钟周期的脉冲信号
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n == 1'b0) begin
cnt0 <= 13'b0;
flag <= 1'b0;
end
else if (cnt0 < MAX_NUM - 1'b1) begin
cnt0 <= cnt0 + 1'b1;
flag <= 1'b0;
end
else begin
cnt0 <= 13'b0;
flag <= 1'b1;
end
end
//cnt_sel从0计数到5，用于选择当前处于显示状态的数码管
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n == 1'b0)
cnt_sel <= 3'b0;
else if(flag) begin
if(cnt_sel < 3'd5)
cnt_sel <= cnt_sel + 1'b1;
else
cnt_sel <= 3'b0;
end
else
cnt_sel <= cnt_sel;
end
//控制数码管位选信号，使6位数码管轮流显示
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
seg_sel <= 6'b111111; //位选信号低电平有效
num_disp <= 4'b0;
dot_disp <= 1'b1; //共阳极数码管，低电平导通
end
else begin
if(en) begin
case (cnt_sel)
3'd0 :begin
seg_sel <= 6'b111110; //显示数码管最低位
num_disp <= num[3:0] ; //显示的数据
dot_disp <= ~point[0]; //显示的小数点
end
3'd1 :begin
seg_sel <= 6'b111101; //显示数码管第1位
num_disp <= num[7:4] ;
dot_disp <= ~point[1];
end
3'd2 :begin
seg_sel <= 6'b111011; //显示数码管第2位
num_disp <= num[11:8];
dot_disp <= ~point[2];
end
3'd3 :begin
seg_sel <= 6'b110111; //显示数码管第3位
num_disp <= num[15:12];
dot_disp <= ~point[3];
end
3'd4 :begin
seg_sel <= 6'b101111; //显示数码管第4位
num_disp <= num[19:16];
dot_disp <= ~point[4];
end
3'd5 :begin
seg_sel <= 6'b011111; //显示数码管最高位
num_disp <= num[23:20];
dot_disp <= ~point[5];
end
default :begin
seg_sel <= 6'b111111;
num_disp <= 4'b0;
dot_disp <= 1'b1;
end
endcase
end
else begin
seg_sel <= 6'b111111; //使能信号为0时，所有数码管均不显示
num_disp <= 4'b0;
dot_disp <= 1'b1;
end
end
end
//控制数码管段选信号，显示字符
always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n)
seg_led <= 8'hc0;
else begin
case (num_disp)
4'd0 : seg_led <= {dot_disp,7'b1000000}; //显示数字 0
4'd1 : seg_led <= {dot_disp,7'b1111001}; //显示数字 1
4'd2 : seg_led <= {dot_disp,7'b0100100}; //显示数字 2
4'd3 : seg_led <= {dot_disp,7'b0110000}; //显示数字 3
4'd4 : seg_led <= {dot_disp,7'b0011001}; //显示数字 4
4'd5 : seg_led <= {dot_disp,7'b0010010}; //显示数字 5
4'd6 : seg_led <= {dot_disp,7'b0000010}; //显示数字 6
4'd7 : seg_led <= {dot_disp,7'b1111000}; //显示数字 7
4'd8 : seg_led <= {dot_disp,7'b0000000}; //显示数字 8
4'd9 : seg_led <= {dot_disp,7'b0010000}; //显示数字 9
4'd10: seg_led <= 8'b11111111; //不显示任何字符
4'd11: seg_led <= 8'b10111111; //显示负号(-)
default:
seg_led <= {
dot_disp,7'b1000000};
endcase
end
end
endmodule