FPGA与DS18B20型温度传感器通信的实现步骤

eeleader

FPGA与DS18B20型温度传感器通信的实现步骤 [复制链接]

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，采用3引脚T0-92型小体积封装；温度测量范围为-55℃～+125~C，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0．0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
　　一线式(1-WIRE)串行总线是利用1条信号线就可以与总线上若干器件进行通信。具体应用中可以利用微处理器的I/O端口对DS18B20直接进行通信，也可以通过现场可编程门阵列(FPGA)等可编程逻辑器件(PLD)实现对1-WIRE器件的通信。
　　一般在使用DS18B20时往往采用微处理器的I/O端口实现与该器件的通信，这种方法虽然比较容易和方便，但是，因为DS18B20的一线式串行总线对时序要求比较严格，因此，为了保证与DS18B20的通信可靠性，微处理器与DS18B20通信时需要采用关闭中断的办法，以防止操作时序被中断服务破坏。　　利用FPGA实现与。DS18B20通信不存在被迫关闭中断的情况，可以满足对实时性要求严格的应用要求。
DS18B20简介
　　内部结构
　　DS18B20的内部结构如图1所示，主要由以下几部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH(温度高)和TL(温度低)、配置寄存器、暂存寄存器(SCRATCHPAD)、存储器控制逻辑。DQ为数字信号输入/输出端。

ROM中的64(8位产品家族编号、48位ID号、8位CRC)位序列号是出厂前刻好的，这64位序列号具有惟一性，每个DS18B20的64位序列号均不相同。
　　8位CRC生成器可以完成通信时的校验。
　　暂存寄存器有9个字节，包含温度测量结果、温度报警寄存器、CRC校验码等内容。
　　操作步骤
　　对DS18B20的操作分为3个步骤：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。
　　初始化
　　FPGA要与DS18B20通信，首先必须完成初始化。FPGA产生复位信号，DS18B20返回响应脉冲。
　　ROM命令
　　该步骤完成FPGA与总线上的某一具体DS18B20建立联系。ROM命令有搜寻ROM(SEARCH ROM)、读ROM(READ ROM)、匹配ROM(MATCH ROM)、忽略ROM(SKIP ROM)、报警查找等命令(ALARM SEARCH)。
　　这里，FPGA只连接1个DS18B20，因此只使用读ROM命令，来读取DS18B20的48位ID号。
　　DS18B20功能命令
　　FPGA在该步骤中完成温度转换(CONVERTT)、写暂存寄存器(WRITE SCRATCHPAD)、读暂存寄存器(READ SCRATCHPAD)、拷贝暂存寄存器(COPYSCRATCHPAD)、装载暂存器寄存器(RECALL E2)、读供电模式命令(READ POWER SUPPLY)。
　　操作时序
　　DS18B20的一线式操作时序如图2所示。从时序图中可以看出，对DS18B20的操作时序要求比较严格。利用FPGA可以实现这些操作时序。

 

FPGA与DS18B20的通信
　　 DS18B20的操作模块
　　FPGA需要完成DS18B20的初始化、读取DS18B20的48位ID号、启动DS18B20温度转换、读取温度转化结果。读取48位ID号和读取温度转换结果过程中，FPGA还要实现CRC校验码的计算，保证通信数据的可靠性。
　　以上操作反复进行，可以用状态机来实现。状态机的各种状态如下：
　　RESET1：对DS18B20进行第一次复位，然后进入DELAY状态，等待800μs后，进入CMD33状态。
　　CMD33：对DS18B20发出0×33命令，读取48位ID值。
　　GET_ID：从DS18B20中读取48位ID值。
　　RESET2：对DS18B20进行第二次复位，然后进入DELAY状态等待800μs后，进入CMDCC状态。
　　CMDCC：向DS18B20发出忽略ROM命令，为进入下一状态作准备。
　　CMD44：向DS18B20发出启动温度转换命令，然后进入DELAY状态等待900ms后进入下一状态。
　　RESET3：对DS18B20进行第三次复位。
　　CMDCC2：向DS18B20发出忽略ROM命令，为了进入下一状态作准备。
　　GET_TEMP：从DS18B20中读取温度测量数值。
　　DELAY：等待状态。
　　WRITE_BIT：向DS18B20中写入数据位状态。
　　READ_BIT：从DS18B20中读取数据位状态。在该状态中每读取1位数据，同时完成该数据位的CRC校验计算。所有数据都读取后，还要读取8位CRC校验位。这8位校验位也经过CRC校验计算，如果通信没有错误，总的CRC校验结果应该是0。这时可将通信正确的数据保存到id和temp_data寄存器中。

eeleader-mcu

好帖，论述清楚了DS18B20的工作过程，根据上面的过程，我写的VHDL代码如下：

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity cell_temp is
port(  

reset:                                in      std_logic;            
clkmain:                              in      std_logic;
clk1us_serial:                        in      std_logic_vector(5 downto 0);
clk64us_serial:                       in      std_logic_vector(3 downto 0);
clk900ms_serial:                      in      std_logic_vector(2 downto 0);
----------------------------------------------------------------------
toout_dq:                             inout   std_logic;
toout_temp:                           out     std_logic_vector(7 downto 0)

);              
end cell_temp;
architecture behav of cell_temp is 

--constant COM_RESET_DATA:         std_logic_vector(7 downto 0):="00100111"; 

signal temp10:                       std_logic_vector(2 downto 0);
signal tempsub10:                    std_logic_vector(2 downto 0);
signal tempret10:                    std_logic_vector(2 downto 0);

signal temp10_temp:                  std_logic_vector(3 downto 0);
signal temp10_data:                  std_logic_vector(7 downto 0);
signal temp10_ddd:                   std_logic_vector(15 downto 0); 
signal ptoout_temp:                  std_logic_vector(23 downto 0);
signal temp10_n:                     std_logic_vector(2 downto 0);

signal temp10_clk900ms_serial:       std_logic_vector(2 downto 0);
signal temp10_time_serial:           std_logic_vector(5 downto 0);

begin

proc10:process(clkmain,reset)                               
begin
if(reset='0')then
  toout_dq<='Z';
  temp10(2 downto 0)<="000";   
  tempsub10(2 downto 0)<="000";
  tempret10(2 downto 0)<="000";
  ptoout_temp(15 downto 8)<="00010001";
  ptoout_temp(7 downto 0)<="00010001";
  temp10_ddd(7 downto 0)<="00000000";
  temp10_ddd(15 downto 8)<="00000000";
  toout_temp(7 downto 0)<="00010001";
elsif(clkmain'event and clkmain='1')then 
  
  if(ptoout_temp(7 downto 0)>=ptoout_temp(15 downto 8))then
    temp10_ddd(7 downto 0)<=ptoout_temp(7 downto 0)-ptoout_temp(15 downto 8);
  else
    temp10_ddd(7 downto 0)<=ptoout_temp(15 downto 8)-ptoout_temp(7 downto 0);
  end if;
  if(ptoout_temp(15 downto 8)>=ptoout_temp(23 downto 16))then
    temp10_ddd(15 downto 8)<=ptoout_temp(15 downto 8)-ptoout_temp(23 downto 16);
  else
    temp10_ddd(15 downto 8)<=ptoout_temp(23 downto 16)-ptoout_temp(15 downto 8);
  end if;
  if((temp10_ddd(7 downto 0)<"00000111") and (temp10_ddd(15 downto 8)<"00000111"))then
    toout_temp(7 downto 0)<=ptoout_temp(7 downto 0);
  end if;
 
  
  if(temp10(2 downto 0)="000")then  
    toout_dq<='1';
    if(clk900ms_serial(2 downto 0)/=temp10_clk900ms_serial(2 downto 0))then
      temp10_clk900ms_serial(2 downto 0)<=clk900ms_serial(2 downto 0);
      temp10(2 downto 0)<="010";    -----goto reset/delay
      tempsub10(2 downto 0)<="000";
      tempret10(2 downto 0)<="000";
    end if;
  
  elsif(temp10(2 downto 0)="001")then     ------main_step
    toout_dq<='1';
    if(tempsub10(2 downto 0)="000")then   ------write "0xcc";
      temp10(2 downto 0)<="011";    -----goto write
      tempsub10(2 downto 0)<="000";
      tempret10(2 downto 0)<="001";
      temp10_data(7 downto 0)<="11001100";
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="001")then   ------write "0xbe";
      temp10(2 downto 0)<="011";    -----goto write
      tempsub10(2 downto 0)<="000";
      tempret10(2 downto 0)<="010";
      temp10_data(7 downto 0)<="10111110";
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="010")then   ------read 1 byte "";
      temp10(2 downto 0)<="100";    -----goto read
      tempsub10(2 downto 0)<="000";
      tempret10(2 downto 0)<="011";
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="011")then   ------read 2 byte "";
      temp10(2 downto 0)<="100";    -----goto read
      tempsub10(2 downto 0)<="000";
      tempret10(2 downto 0)<="100";
      temp10_temp(3 downto 0)<=temp10_data(7 downto 4);
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="100")then   -----reset/delay
      temp10(2 downto 0)<="010";    -----goto reset
      tempsub10(2 downto 0)<="000";
      tempret10(2 downto 0)<="101";
      ptoout_temp(3 downto 0)<=temp10_temp(3 downto 0);
      ptoout_temp(7 downto 4)<=temp10_data(3 downto 0);
      ptoout_temp(23 downto 8)<=ptoout_temp(15 downto 0);
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="101")then   ------write "0xcc";
      temp10(2 downto 0)<="011";    -----goto write
      tempsub10(2 downto 0)<="000";
      tempret10(2 downto 0)<="110";
      temp10_data(7 downto 0)<="11001100";
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="110")then   ------write "0x44";
      temp10(2 downto 0)<="011";    -----goto write
      tempsub10(2 downto 0)<="000";
      tempret10(2 downto 0)<="111";
      temp10_data(7 downto 0)<="01000100";
    else
    --elsif(tempsub10(2 downto 0)="111")then   ------end;
      temp10(2 downto 0)<="000";    -----goto start
      tempsub10(2 downto 0)<="000";
    end if;
 
  elsif(temp10(2 downto 0)="010")then     -----goto_reset/delay
    if(tempsub10(2 downto 0)="000")then 
      toout_dq<='0';
      temp10_time_serial(3 downto 0)<=clk64us_serial(3 downto 0);
      tempsub10(2 downto 0)<="001";
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="001")then  
      if((clk64us_serial(3 downto 0)-temp10_time_serial(3 downto 0))>"1001")then
        toout_dq<='Z';
        temp10_time_serial(3 downto 0)<=clk64us_serial(3 downto 0);
        tempsub10(2 downto 0)<="010";
      end if;
    --elsif(tempsub10(2 downto 0)="010")then
    else 
      toout_dq<='Z';
      if((clk64us_serial(3 downto 0)-temp10_time_serial(3 downto 0))>"0111")then
        temp10(2 downto 0)<="001";   
        tempsub10(2 downto 0)<=tempret10(2 downto 0);
      end if;
    end if;
  
  elsif(temp10(2 downto 0)="011")then    -----goto_write
    if(tempsub10(2 downto 0)="000")then
      temp10_n(2 downto 0)<="000";
      tempsub10(2 downto 0)<="001";
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="001")then
      toout_dq<='0';
      temp10_time_serial(2 downto 0)<=clk1us_serial(2 downto 0);
      tempsub10(2 downto 0)<="010";
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="010")then
      if((clk1us_serial(2 downto 0)-temp10_time_serial(2 downto 0))>"101")then
        toout_dq<=temp10_data(0);
        temp10_data(6 downto 0)<=temp10_data(7 downto 1);
        temp10_time_serial(5 downto 0)<=clk1us_serial(5 downto 0);
        tempsub10(2 downto 0)<="011";
      end if;
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="011")then
      if((clk1us_serial(5 downto 0)-temp10_time_serial(5 downto 0))>"111101")then
        toout_dq<='1';
        temp10_time_serial(2 downto 0)<=clk1us_serial(2 downto 0);
        tempsub10(2 downto 0)<="100";
      end if;
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="100")then
      if((clk1us_serial(2 downto 0)-temp10_time_serial(2 downto 0))>"011")then
        if(temp10_n(2 downto 0)>"110")then
          temp10_time_serial(2 downto 0)<=clk1us_serial(2 downto 0);
          tempsub10(2 downto 0)<="101";
        else
          tempsub10(2 downto 0)<="001";
          temp10_n(2 downto 0)<=temp10_n(2 downto 0)+'1';
        end if;
      end if;
    --elsif(tempsub10(2 downto 0)="101")then
    else
      if((clk1us_serial(2 downto 0)-temp10_time_serial(2 downto 0))>"101")then
        temp10(2 downto 0)<="001";   
        tempsub10(2 downto 0)<=tempret10(2 downto 0);
      end if;
    end if; 
 
  elsif(temp10(2 downto 0)="100")then    -----goto_read
  else
    if(tempsub10(2 downto 0)="000")then
      temp10_n(2 downto 0)<="000";
      tempsub10(2 downto 0)<="001";
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="001")then
      toout_dq<='0';
      temp10_time_serial(2 downto 0)<=clk1us_serial(2 downto 0);
      tempsub10(2 downto 0)<="010";
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="010")then
      if((clk1us_serial(2 downto 0)-temp10_time_serial(2 downto 0))>"010")then
        toout_dq<='Z';
        temp10_time_serial(2 downto 0)<=clk1us_serial(2 downto 0);
        tempsub10(2 downto 0)<="011";
      end if;
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="011")then
      if((clk1us_serial(2 downto 0)-temp10_time_serial(2 downto 0))>"101")then
        temp10_data(7)<=toout_dq;
        temp10_data(6 downto 0)<=temp10_data(7 downto 1);
        temp10_time_serial(5 downto 0)<=clk1us_serial(5 downto 0);
        tempsub10(2 downto 0)<="100";
      end if;
    elsif(tempsub10(2 downto 0)="100")then
      if((clk1us_serial(5 downto 0)-temp10_time_serial(5 downto 0))>"111101")then
        tempsub10(2 downto 0)<="101";
      end if;
    --elsif(tempsub10(2 downto 0)="101")then
    else
      if(temp10_n(2 downto 0)>"110")then
        temp10(2 downto 0)<="001";   
        tempsub10(2 downto 0)<=tempret10(2 downto 0);
      else
        tempsub10(2 downto 0)<="001";
        temp10_n(2 downto 0)<=temp10_n(2 downto 0)+'1';
      end if;
    end if;
  
  end if;

end if;
end process proc10; 

end behav;

80后

二楼的太强大了！