FPGA开发——DS18B20读取温度并且在数码管上显示
一、简介
在上一篇文章中我们对于DS18B20的相关理论进行了详细的解释，同时也对怎样使用DS18B20进行了一个简单的叙述。在这篇文章我们通过工程来实现DS18B20的温度读取并且实现在数码管伤显示。
1、基本实现思路
根据不同时刻的操作，我们可以使用一个状态机来实现温度的读取。
如图所示，通过 初始化——>ROM指令写入——>温度转换命令写入——>二次初始化——>二次ROM指令写入——>温度读取命令写入——>温度读取等一系列操作就可以实现DS18B20的温度读取。
2、状态转换框图
将实现思路划分成6个状态，从而减少代码量。
二、工程实现
1、设计文件的编写
（1）DS18B20
新建一个ds18b20.v文件，如下：在这里需要用到的计数器非常多，如果对于每个状态都使用一个计数器的话，所占用的资源就会非常多，这里我们可以根据状态进行划分，实现同一个计数器在不同状态进行不同计数的方法，也就是分时复用的思路对于计数器进行带编写。并且在实现代码中，我们将跳过ROM指令和温度转换指令写在一起，将跳过ROM指令和温度读取指令写在一起，通过同一个位宽的bit计数器就可以进行命令的写入。
module ds18b20_driver( input clk ,input rst_n ,//ds182b20 portinout dq ,//单总线（双向口）//user portoutput reg sign ,//符号位，正数为0，负数为1output reg [19:0] dout ,output reg dout_vld
);
//-------------<参数定义>---------------------------------------------------------
//状态机参数定义localparam INIT = 6'b0000_01,//主机初始化状态：主机发送复位脉冲-->主机释放总线-->主机接收存在脉冲（ds18b20接收到存在脉冲后拉低总线）WRCMD = 6'b0000_10,//主机发送跳过ROM命令状态WAIT = 6'b0001_00,//等待温度转换完成状态INIT_AGAIN = 6'b0010_00,//二次初始化RDCMD = 6'b0100_00,//主机发送读取温度命令状态RDTEM = 6'b1000_00;//主机读取温度（2字节）状态//时间参数定义parameter TIME_1US = 50;//1usparameter TM_INIT = 720 ,//初始化时间750us：主机发送复位脉冲至少480us（取500us）-->主机释放总线15-60us（取20us）-->主机接收存在脉冲60-240us（取200us）TM_LOW = 2 ,//读写时隙，拉低总线至少1us（取2us）TM_60US = 60 ,//读写时隙至少60usTM_3US = 3 ,//连续两个读或写时隙至少间隔1us的恢复时间TM_WAIT = 750_000 ;//温度转换最大750ms（精度12bits）//命令参数定义localparam CMD_SKROM = 8'hCC,//跳过ROM命令CMD_CONVE = 8'h44,//温度转换命令CMD_RDCMD = 8'hBE;//读取温度命令//-------------<内部信号定义>-----------------------------------------------------wire dq_in ;//双向端口输入reg dq_out ;//双向端口输出reg dq_out_en ;//双向端口输出使能reg [5:0] state_c ;//状态机现态reg [5:0] state_n ;//状态机次态reg [7:0] cnt_1us ;//1us基准计数器wire add_cnt_1us ;wire end_cnt_1us ;reg [19:0] xx ;reg [19:0] cnt_xx ;//复用计数器wire add_cnt_xx ;wire end_cnt_xx ;reg [4:0] cnt_bit ;//比特计数器wire add_cnt_bit ;wire end_cnt_bit ;reg presen_pulse;//存在脉冲reg flag ;//标志信号 发起温度转换，为0；读取温度，为1reg [15:0] wr_data ;//写入数据(命令)reg [15:0] rd_data ;//读出的温度数据wire init2wrcmd ;wire wrcmd2wait ;wire wait2initagain ;wire initagain2rdcmd ;wire rdcmd2rdtem ;wire rdtem2init ;assign dq = dq_out_en ? dq_out : 1'bz;//输出使能为1时输出；为0时高阻态assign dq_in = dq ;//高阻态时，将双向总线的数据赋值给输入//--state_c(三段式状态机)always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)beginstate_c <= INIT;end else begin state_c <= state_n;end endalways @(*) begincase(state_c)INIT : beginif(init2wrcmd)begin state_n = WRCMD;endelse begin state_n = state_c;endendWRCMD : beginif(wrcmd2wait)begin state_n = WAIT;endelse begin state_n = state_c;endendWAIT : beginif(wait2initagain)begin state_n = INIT_AGAIN;endelse begin state_n = state_c;endendINIT_AGAIN : beginif(initagain2rdcmd)begin state_n = RDCMD;endelse begin state_n = state_c;endendRDCMD : beginif(rdcmd2rdtem)begin state_n = RDTEM;endelse begin state_n = state_c;endendRDTEM : beginif(rdtem2init)begin state_n = INIT;endelse begin state_n = state_c;endenddefault : state_n = INIT;endcaseendassign init2wrcmd = (state_c == INIT ) && end_cnt_xx && !presen_pulse;assign wrcmd2wait = (state_c == WRCMD ) && end_cnt_bit ;assign wait2initagain = (state_c == WAIT ) && end_cnt_xx;assign initagain2rdcmd = (state_c == INIT_AGAIN) && end_cnt_xx && !presen_pulse;assign rdcmd2rdtem = (state_c == RDCMD ) && end_cnt_bit;assign rdtem2init = (state_c == RDTEM ) && end_cnt_bit;//--cnt_1usalways @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_1us <= 'd0;end else if(add_cnt_1us)begin if(end_cnt_1us)begin cnt_1us <= 'd0;endelse begin cnt_1us <= cnt_1us + 1'b1;end endelse cnt_1us <= cnt_1us;end assign add_cnt_1us = 1'b1;assign end_cnt_1us = add_cnt_1us && cnt_1us == TIME_1US - 1;//--cnt_xxalways @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_xx <= 'd0;end else if(add_cnt_xx)begin if(end_cnt_xx)begin cnt_xx <= 'd0;endelse begin cnt_xx <= cnt_xx + 1'b1;end endend assign add_cnt_xx = end_cnt_1us;assign end_cnt_xx = add_cnt_xx && cnt_xx == xx - 1;//xx always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)beginxx <= 'd0;end else if((state_c == INIT) ||(state_c == INIT_AGAIN))begin xx <= TM_INIT;end else if(state_c == WAIT)beginxx <= TM_WAIT;endelse begin //除了INIT和WAIT两个状态，其它几个状态都在读或写（IDLE状态未考虑，计数器在IDLE状态下不工作）xx <= TM_LOW + TM_60US + TM_3US;//读写1bit数据需要的时间end end//--cnt_bitalways @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_bit <= 'd0;end else if(add_cnt_bit)begin if(end_cnt_bit)begin cnt_bit <= 'd0;endelse begin cnt_bit <= cnt_bit + 1'b1;end endend assign add_cnt_bit = end_cnt_xx && (state_c == WRCMD || state_c == RDCMD || state_c == RDTEM);assign end_cnt_bit = add_cnt_bit && cnt_bit == 16-1;//--presen_pulsealways @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)beginpresen_pulse <= 'd0;end else if(((state_c == INIT) ||(state_c == INIT_AGAIN))&& (cnt_xx == 550) && (end_cnt_1us))begin presen_pulse <= dq_in;end end
//--wr_data always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)beginwr_data <= 'd0;end else if(state_c == WRCMD)begin wr_data <= 16'h44cc;end else if(state_c == RDCMD)begin wr_data <= 16'hbecc;endelse begin wr_data <= 'd0;end end
//--dq_out、dq_out_en always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begindq_out_en <= 'd0;dq_out <= 'd0;end else if((state_c == INIT ||state_c == INIT_AGAIN) && (cnt_xx < 20'd500))begin dq_out_en <= 1'b1;dq_out <= 1'b0;end else if(state_c == WRCMD || state_c == RDCMD)begin if(cnt_xx <TM_LOW)begin dq_out_en <= 1'b1;dq_out <= 1'b0;endelse if(cnt_xx >= TM_LOW && cnt_xx < (TM_LOW+TM_60US))begin if(wr_data[cnt_bit] == 0)begin //写0时隙dq_out_en <= 1'b1;dq_out <= 1'b0;endelse if(wr_data[cnt_bit] == 1)begin //写1时隙dq_out_en <= 1'b0;dq_out <= 1'b0;endendelse begin //记住不能省略dq_out_en <= 1'b0;dq_out <= 1'b0;endendelse if(state_c == RDTEM)begin if(cnt_xx < TM_LOW)begin dq_out_en <= 1'b1;dq_out <= 1'b0;endelse begin dq_out_en <= 1'b0;dq_out <= 1'b0;endendelse begin dq_out_en <= 1'b0;dq_out <= 1'd0;endend//--rd_dataalways @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)beginrd_data <= 'd0;end else if(state_c == RDTEM && cnt_xx == 20'd12 )begin rd_data[cnt_bit] <= dq_in;end end//--dout、dout_vld、signalways @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begindout <= 'd0;sign <= 'd0;end else if(state_c == RDTEM && end_cnt_bit)begin if(rd_data[15] == 1'b0)begin //读出的温度数据机器码符号位为0，温度为正dout <= rd_data[10:0]*20'd625;sign <= 1'b0;endelse begin //读出的温度数据机器码符号位为1，温度为负 dout <= (~rd_data[10:0] + 1'b1)*20'd625; //考虑位宽溢出的问题sign <= 1'b1;endend endalways @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begindout_vld <= 1'b0;end else dout_vld <= rdtem2init;endendmodule（2）数码管
新建一个seg_driver.v文件，如下：
module seg_driver(input clk,input rst_n,input [23:0] din,input sign,output reg [5:0] sel,output reg [7:0] dig);
//参数定义
parameter TIME_1MS =50_000;
localparam ZERO =7'b100_0000,ONE =7'b111_1001,TWO =7'b010_0100,TEREE =7'b011_0000,FOUR =7'b001_1001,FIVE =7'b001_0010,SIX =7'b000_0010,SEVEN =7'b111_1000,EIGHT =7'b000_0000,NINE =7'b001_0000,P =7'b000_1100,N =7'b100_1000,NULL =7'b111_1111;//内部信号定义
reg [15:0] cnt_1ms;
wire add_cnt_1ms;
wire end_cnt_1ms;reg [5:0] seg_r;
reg flag;//小数点标志位
reg [23:0] dis_data;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_1ms <= 'd0;end else if(add_cnt_1ms)begin if(end_cnt_1ms)begin cnt_1ms <= 'd0;endelse begin cnt_1ms <= cnt_1ms + 1'b1;end end
end assign add_cnt_1ms =1'b1 ;
assign end_cnt_1ms = add_cnt_1ms && cnt_1ms == TIME_1MS-1;//数码管位选
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)beginsel <= 6'b111_110;end else if(end_cnt_1ms)begin sel <={sel[4:0],sel[5]};end
end
//小数点位置 0为亮，1为灭
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)beginflag <= 'd1;end else begin case (sel)6'b110_111:flag <= 1'b0; //第三个数码管位置default: flag<= 'd1;endcaseend
end//数码管显示数据分布
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begindis_data <= 'd0;end else begin case (sel)6'b111_110:dis_data <= din[7:4];6'b111_101:dis_data <= din[11:8];6'b111_011:dis_data <= din[15:12];6'b110_111:dis_data <= din[19:16];6'b101_111:dis_data <= din[23:20];6'b011_111:dis_data <=(sign ?4'ha:4'hb) ; default: ;endcaseend
end//数据显示
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begindig <= NULL;end else begin case (dis_data)0 :dig<={flag,ZERO };1 :dig<={flag,ONE };2 :dig<={flag,TWO };3 :dig<={flag,TEREE};4 :dig<={flag,FOUR };5 :dig<={flag,FIVE };6 :dig<={flag,SIX };7 :dig<={flag,SEVEN};8 :dig<={flag,EIGHT};9 :dig<={flag,NINE };4'ha:dig<={flag,N };4'hb:dig<={flag,P };default:dig<= NULL;endcaseend
end
endmodule2、数据处理文件的编写
当我们进行温度读取时，需要对原始数据进行处理之后采用将其显示在数码管中，所以这里还需要一个处理数据文件进行数据转换，新建一个data.v文件，如下：
module data(input clk,input rst_n,input [19:0] din,input din_vld,output [23:0] dout
);
wire [7:0] data_r_int;
wire [15:0] data_r_float;
reg [3:0] data_r1;
reg [3:0] data_r2;
reg [3:0] data_r3;
reg [3:0] data_r4;
reg [3:0] data_g ;
reg [3:0] data_s ;
reg din_vld_r;
assign data_r_int=din/10000;
assign data_r_float=din%10000;always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begindin_vld_r <= 'd0;end else din_vld_r <= din_vld;
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begindata_r1<='d0;data_r2<='d0;data_r3<='d0;data_r4<='d0;data_g <='d0;data_s <='d0;endelse if(din_vld_r)begindata_s <=data_r_int/10;data_g <=data_r_int%10;data_r1<=data_r_float/1000;data_r2<=data_r_float/100%10;data_r3<=data_r_float/10%10;data_r4<=data_r_float%10;endend
assign dout={data_s,data_g,data_r1,data_r2,data_r3,data_r4};
endmodule3、顶层文件的编写
通过编写一个顶层文件将三个.v文件整合在一起，新建一个top.v文件，如下：
module top (input clk ,input rst_n ,inout dq ,output tx ,output [5:0] sel,output [7:0] dig
);
wire [23:0] dis_data;//温度数值
wire sign; //符号位
wire sign_out;
wire [19:0] dout ;
wire dout_vld;seg_driver seg_driver_inst(/*input */ .clk (clk) ,/*input */ .rst_n (rst_n) ,/*input [23:0] */ .din (dis_data ) ,/*input */ .sign (sign) ,/*output reg [5:0] */ .sel (sel) ,/*output reg [7:0] */ .dig (dig));data data_inst(/*input */ .clk (clk),/*input */ .rst_n (rst_n),/*input [19:0] */ .din (dout),/*input */ .din_vld(dout_vld),/*output [23:0]*/ .dout (dis_data)
);ds18b20_driver ds18b20_driver_inst(/* input */. clk (clk ) ,/* input */. rst_n (rst_n ) ,/* input */. dq (dq ) ,//输入信号/* output reg [19:0]*/. dout (dout ) ,//串行发送出去的数据/* output */. dout_vld (dout_vld) ,/* output */. sign (sign ) //发送一字节完成信号
);
endmodule4、在线调试
因为这里需过用modelsim进行仿真的话需要编写大量的测试文件代码才能进行仿真，所以我们直接采取Signal Tap进行在线调试的方式进行波形抓取。
通过在线抓取，经过调试之后，我们可以直接看到温度的值，通过下板验证可以看到数码管显示的值和抓取过程的值是一样的。在数码管中因为我们要显示一个符号位，所以值保留3位小数。
