FPGA学习分享---初学者的快乐（记应用FPGA完成DS18B20的控制和读取）

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FPGA学习分享---初学者的快乐（记应用FPGA完成DS18B20的控制和读取） [复制链接]

        各位坛友，
        在国庆过后，我就开始在坛子空间里面念叨着老师给我的这个毕业设计热身题目：运用红色飓风二代altera FPGA开发板，编写VHDL程序控制和读取显示DS18B20数字温度传感器的实时温度。我就一直走走停停，知道上个周五晚上，调试成功，让我不禁笑逐颜开，呵呵！下面，我向大家分享一下我这段时间的学习经历，请大家不吝赐教，不论批评与否，我都接受大家的意见。这是一个初学者的快乐！一点点不算什么的成就感吧，呵呵！
       我是在国庆假期回来以后，接到导师给我的这个题目的，说让我熟悉一下硬件和开发环境，之前的科研训练搞了一个暑假的软件了，这次换硬的，我很高兴的接手了这份题目。这是我第一次独立要去学习和完成以前几年没有学过的东西。只有开发环境我曾经大二时候接触过，不过都已经忘记了，又要重新学习。
       老师给了我一堆资料，基本上他那里所有的这方面的资料都给我了，说自己回去看，自己理解消化，把这个问题解决。回到寝室，空闲时候，就忙不迭动手开始看资料了。
       不看不知道，一看吓一跳，这东西还真是让我晕乎，一开始不知道从哪里下手好。那就先复习Quartus开发环境的应用吧，自己再借几本关于VHDL语言的书籍看看，编了几个译码器的小程序，仿真测试一下，这就算一个入门吧！
        开始看硬件的了。老师给了红色飓风二代的开发板，下载线却让我为难了，因为我的是笔记本，没有并口，所以无法完成程序下载，这直接关系到我以后的调试工作，所以考虑了半天，自费去珠江路电子商场，45块钱买了一根USB口转并口的线，也就是打印机用的线，相信有些坛友知道这事，我在坛子里面发帖问过，结果是不能用，原因据坛友解释，是虽然接口形式变了，但是里面数据传送的格式还是没有变，所以不能正常连接，所以四十五块钱就这样白费了！伤心啊，我好几天的生活费！:'(
       后来和老师去沟通，他问我这根线有没有发票，我才后悔当初应该要发票的，不然我就不用自己出这钱了，学生做点事，课真没有钱投资啊！在开发板公司网站上了解到有USB-Blaster下载线可以正常连接，但是需要200块，我在淘宝上看到有人买，也就几十，所以和老师商量了，就在淘宝买，记得要发票！这次我学聪明了，千叮咛万嘱咐掌柜的给发票，不然我不要，所以顺理成章得到了下载线，也报销了100块，下载线通过了测试，我终于可以放手去干啦！
      这段过程持续到了11月末，因为其中有一个波折，就是老师准备给我换开发板的，说xilinx那块开发板在另一个老师那里，功能更好，干脆直接上好板子做，所以中间停了大概半个月的时间，结果那老师那边去了一趟后，杳无音讯，所以我又回到了最初的路上，这就是我在空间里面写的那段文字。
     自此，我真正开始了第一次的FPGA学习之旅。
     之前的一个多月时间，断断续续学会了VHDL的大概模式和基本用法，还有熟悉了一下开发板的各个部件。在开发板材料里面，找了好久，总算找到了数码管，时钟等部件与开发板的管脚配置，之前一直没有找到，我愁了好久，因为资料是在太多，我得挨着看，才能看到。在网上下了一个点亮数码管的verilog HDL程序，试着跑了一下，证明了管脚配置的正确性。
     开始进入老师给的题目了。
     我大致在纸上规划了一下，我把任务划成了两个个板块：数码管动态显示板块和芯片控制和温度读取板块。从难易程度上讲，动态显示以前用原理图描述过，所以有一定的基础，决定从这里开始下手，最后的硬骨头是第二板块，留待最后。
     比较顺利在一个周的剩下不多的空闲时间里，用VHDL编写出了一个板块，期间，参考过别人写的包括时钟的分频部分和动态显示部分。采用动态显示是目前的主流，因为是节约资源。在软件上仿真测试通过，并没有下载到硬件上调试。
     接下来，开始了最关键一个板块，也是我从来没有接触过的一个新东西。这个部分，我做了持续两周的时间，到上周末结束的。
      一直没有接触过温度传感器，之前很多网上的资料，都是用单片机控制的，采用汇编语言编写的程序，对我来说，参考意义不是很大。
     我先在坛子里面下载了关于DS18b20的资料介绍（老师当时并没有给我这个资料），了解了它的结构和工作方式和命令字，还有工作时序关系（这个太关键），认为应该问题不大，就开始编写了。
     在纸上画好流程图，这是导师在暑假我科研训练时候教我的，说这样便于掌握自己的编写思路，还有利于程序的模块化。
然后确定好输入输出口。一直没有仔细看开发板的DS18b20和开发板的接线，以为是寄生电源工作方式，后来发现线的焊接不对，去找老师，才发现焊点掉了一个。回来一看，知道了不是寄生电源工作模式，是独立的3.3伏电源供电。有一个4.7K的上拉电阻。（在3.3伏电压上，我还曾经怀疑是否足够，因为在后来的下载测试开始的时候，出现了读取错误的情况，我以为是这里的问题，但是后来查资料，排除了这个可能。）
     编写过程开始的时候，我被一个问题给难住了，如果编写出这个控制读写时序的问题。
     那几天思考这个问题的时候，我愁了好久，就是找不到下手的地方。我想的方法总不能很好的解决这个问题。很感谢网上一个东南大学师兄分享的文章和程序片段，让我的思路豁然开朗。时序中，牵扯到的延时，控制和读取命令，还有时钟的转换，采用嵌套循环的方式，只要保证时序恰当，就能很好的解决这个问题！
     我开发板上的时钟是50MHz，我采用了三个循环嵌套，最小循环时间是计数50，达到1us，第二循环计数120，达到120us,每一次读写一个数，都必须大于60us,所以我就取120，还有初始化等等在里面中和考虑的循环时间（这是最终取的，刚开始的时候不是这么多，出错了的）；最大的循环式20000，达到温度转换过程要求的2s的等待时间。这样，就解决了一个很关键的时序问题，很感谢那个东南大学师兄在网上的慷慨分享，虽然联系不到你，但是我在这里表示感谢！
      这个时序问题的理解，让我在两天之内，就把控制读取的大致程序写了出来。接着我编写了一个组合VHDL文件，就开始下载仿真调试了！我的想法是始终频率太高，在软件上仿真测试有些不实际，所以直接上板看情况回头调试。
      当然，下载的结果问题很多，一看数码管，当时就晕乎，出来的结果很奇怪，不是正常的数。我就回头找出错的地方。
      首先，我在程序里初始化读取温度输出，结果数码管能够显现我想要的温度，所以证明不是第一板块出问题，问题就在第二板块的温度读取部分。
      我先设置的温度读取时在60us内完成，这等于最小时限，我想很有可能是这个问题，就改到80us,也不行，索性改到了120,在把每次读取完毕等待的最小1us调为2us,让每一部分都有一个余量，这样就能够保持不冲突。
      然而还是不行~
      这部分我在这里说的不多，但是的确花了我两天的时间去查找资料和修改整理，最后结果还是不对。我很郁闷，但是我认为我还是挺能坚持的，因为我这个人做实验比上课对我的诱惑还大，所以仔细想想，回到DS18b20的资料介绍，好好查找我的疏漏之处，问题肯定就在这里面。
       终于，在一行不起眼的文字里面，我发现了一段文字，意思是在温度读取时序中，数据线在15us低电平拉高后，读电平值应该不要远离15us的拉高点。这让我又找到了希望。之前我读的时间点在35us，尽管相对于120us不算远，但是的确不靠近15us的拉高点，我尝试改到了30,还是不行，后来我索性该到了20us~~~~~~~~~~~~成功了。当数码管显示出四个数字的时候，我直接懵了，还以为怎么的，我完全没有想到我错误就在这么一个小小的读取时间点上！
       当即用手接触传感器，温度开始上升，放开了，又开始下降，这让我兴奋不已。导师说，让我在这学期期末的时候完成这个题目，而我现在都完成了最基本的目标，我太激动了。
       后来，我要确定温度的误差，跑了学校的超市和商店，都没有温度计，最后在班上别的寝室找了一根甲流用的体温计。我为了测量误差，献身了！
       把传感器放到了我腋窝下，夹 了五分钟，温度稳定在了35.7度，然后我用体温计再次测量我的腋窝温度，36.2度，误差控制在了高低0.5度的允许范围，这证明了我的准确性。
       ds18b20的温度测量范围是-55度到125度，于是，我开始修改程序，让四个数码管的最高位，在零下温度的时候，显示-的符号，高于一百度的时候，作为温度的百位输出。呵呵，然而我要如何验证程序的正确与否呢？
       我思前想后，开水是不行的了，测试过，只有98度，于是我找来了一个易拉罐，用一根蜡烛烤它（寝室内部绝密，千万不要让南理工物管知道，不然我就玩了~~）然后温度传感器伸进去靠近铁皮边沿测量，的确能正常显示100度以上的温度；然而零下我还真没有机会去验证，我还在等待老天给个机会，我想下雪，下雪了就可以捧雪辉寝室测量，呵呵，我感觉我疯狂了！！
       接下来，我还想再程序里面加温度报警装置啊，正在打算中，等我零下温度测量通过了就开始动手做。支持我吧！
       先写这么多，今天有点冷，我看了一下我做的温度显示是4.1度，是够冷的了！其实我很希望零下的啊！
      给大家看看我的开发板和测试结果，呵呵！


好了，东西就这么多了，请各位坛友支持！！ 支持一个初学者哈！！！

zqzq501311

呵呵，我还是上课回来自己顶一个咯！

kk2614755

呵呵,你就好啦,   有学习板免费用,   我自己那个都没买,要自己掏钱太贵了

tiankai001

这个要强烈支持啊，
绝对的好资料

zqzq501311

这个嘛，一定要和导师关系搞好呀，取得他的信任很重要啊！
以后我可能要买一块开发板自己做，呵呵！

zqzq501311

谢谢支持啦！我第一次做真正的东西啊！

zhjzh72_2004

看过！很好，！继续努力！

mydepc3721

绝对的好资料

zqzq501311

谢谢鼓励，我会继续努力！

zqzq501311

谢谢你的支持和评价！

wangjiafu1985

我曾经做了一个频率计的简单例子，效果还不错呢。

zqzq501311

那你可以拿出来大家分享一下嘛，我也学学呀！

zqzq501311

这个资源问题，主要是老师对我很好，跟着他做科研训练一年了，最后这大四，肯定要帮帮咯！呵呵，机会难得，所以我要加紧时间多学点呀

core_rui

不错,学习的对象.

zqzq501311

不敢担，我只是跟着老师学习。坛子里面牛人一堆堆，向他们学习！

琅骏

我编了一个空调控制器的代码，用FPGA实现

zqzq501311

哎呀，说说看勒，大家分享一下，呵呵！

scm415

加油吧！

jialaolian

看了你们真好，我们学习什么都要自己掏钱买，连进个实验室都没法，唉

zqzq501311

多和老师交流，和老师搞好关系，这样就有机会了啊！