FPGA驱动DS18b20&红外解码 (amobbs.com 阿莫电子技术论坛) -

单枪舞九州 发表于 2014-1-10 23:58:12

FPGA驱动DS18b20&红外解码

FPGA驱动DS18b20的设计（与仿真）
一．任务解析
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。
二．方案论证

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。
2.1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。
　　2．2.1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。
　　2．2．2ROM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。
　　2．2．3 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)。
　　　文中不用温度报警功能，因此在本步骤中只需完成温度转换，然后通过读暂存寄存器命令完成温度转化的结果。
2．3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。
3 FPGA与DS18B20的通信
　　3．1 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，等待若干时后，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。
三．方案实施
主要程序module DS18B20(
clk, // 50MHz 时钟
rst_n, // 异步复位
one_wire, // One-Wire 总线
dataout, //数码管的段码输出
en //数码管的位选使能输出
);
input clk; // 50MHz 时钟
input rst_n; // 异步复位
inout one_wire; // One-Wire 总线

output dataout; //数码管的段码输出
output en ; //数码管的位选使能输出
reg en;
reg dataout;
reg dataout_buf;
reg count; //分频计数器
reg cnt_scan; //数码管的扫描显示计数器

分频器50MHz->1MHz 开始
reg cnt; // 计数子
always @ (posedge clk, negedge rst_n)
if (!rst_n)
cnt <= 0;
else
if (cnt == 49)
cnt <= 0;
else
cnt <= cnt + 1'b1;
reg clk_1us; // 1MHz 时钟
always @ (posedge clk, negedge rst_n)
if (!rst_n)
clk_1us <= 0;
else
if (cnt <= 24) // 24 = 50/2 - 1
clk_1us <= 0;
else
clk_1us <= 1;
延时模块：
reg cnt_1us; // 1us 延时计数子
reg cnt_1us_clear; // 请1us 延时计数子

always @ (posedge clk_1us)
if (cnt_1us_clear)
cnt_1us <= 0;
else
cnt_1us <= cnt_1us + 1'b1;
//--------------------------------------
DS18B20 状态机开始
// 格雷码
parameter S00 = 5'h00;
parameter S0 = 5'h01;
parameter S1 = 5'h03;
parameter S2 = 5'h02;
parameter S3 = 5'h06;
parameter S4 = 5'h07;
parameter S5 = 5'h05;
parameter S6 = 5'h04;
parameter S7 = 5'h0C;
parameter WRITE0 = 5'h0D;
parameter WRITE1 = 5'h0F;
parameter WRITE00 = 5'h0E;
parameter WRITE01 = 5'h0A;
parameter READ0 = 5'h0B;
parameter READ1 = 5'h09;
parameter READ2 = 5'h08;
parameter READ3 = 5'h18;
reg state; // 状态寄存器

reg one_wire_buf; // One-Wire 总线缓存寄存器
reg temperature_buf; // 采集到的温度值缓存器（未处理）
reg DS18B20_DATA_buf; // 采集到的温度值缓存器（未处理）
reg step; // 子状态寄存器 0~50
// 写状态机
WRITE0 :
begin
cnt_1us_clear <= 0;
one_wire_buf <= 0; // 输出0
if (cnt_1us == 80) // 延时80us
begin
cnt_1us_clear <= 1;
one_wire_buf <= 1'bZ; // 释放总线，自动拉高
state <= WRITE00;
end
end
WRITE00 : // 空状态
state <= S5;
WRITE01 : // 空状态
state <= WRITE1;
WRITE1 :
begin
cnt_1us_clear <= 0;
one_wire_buf <= 1'bZ; // 输出1 释放总线，自动拉高
if (cnt_1us == 80) // 延时80us
begin
cnt_1us_clear <= 1;
state <= S5;
end
End
中间有50个状态机的程序，限于篇幅就不一一介绍了！
// 读状态机
READ0 : state <= READ1; // 空延时状态
READ1 :
begin
cnt_1us_clear <= 0;
one_wire_buf <= 1'bZ; // 释放总线

if (cnt_1us == 10) // 再延时10us
begin
cnt_1us_clear <= 1;
state <= READ2;
end
end
READ2 : // 读取数据
begin
temperature_buf <= one_wire;
state <= READ3;
end
READ3 :
begin
cnt_1us_clear <= 0;
if (cnt_1us == 55) // 再延时55us
begin
cnt_1us_clear <= 1;
state <= S7;
end
end
// 读状态机
default : state <= S00;
endcase
end
end
assign one_wire = one_wire_buf; // 注意双向口的使用
// 对采集到的温度进行处理开始
wire t_buf = temperature_buf & 16'h07FF;
// 对采集到的温度进行处理计算
always@(posedge clk or negedge rst_n)

begin
if(!rst_n) begin
DS18B20_DATA_buf =16'b0000000000000000;
//复位后全部清零
end
else begin
DS18B20_DATA_buf = (t_buf * 10) >> 4;
// 小数点后一位
DS18B20_DATA_buf = (t_buf >= 10) ? (t_buf - 10) : t_buf; // 个位
DS18B20_DATA_buf = (t_buf >= 10) ? (t_buf + 1) : t_buf; // 十位
// DS18B20_DATA_buf = temperature_buf ? 1 : 0;
// 这里是显示正数还是负数的。我们做正数处理
end
end
//分频计数器
always @ ( posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) begin
count<=0;
end
else begin
count<=count+1;
//这里这个计数器的目的是为了在显示数码管的十位个位小数点小数点后一位同步
//我们在下面的数码管显示扫描也用到了一样位宽的计数器。
end
end
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
always @ ( posedge clk)
begin
case ( count )
// case ( count )这一句希望初学者看明白,
// 也是分频的关键
// 通过计数器分频，在相同时间间隔内，显示温度的十位个位小数点小数点后一位
0: dataout_buf<=DS18B20_DATA_buf; //小数点后
1: dataout_buf<=4'b1010; //小数点
2: dataout_buf<=DS18B20_DATA_buf; //个位
3: dataout_buf<=DS18B20_DATA_buf; //十位
endcase
end
//下面是数码管扫描显示
//分频计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) begin
cnt_scan<=0;
end
else begin
cnt_scan<=cnt_scan+1;
//这里这个计数器的目的是为了在显示数码管的十位个位小数点小数点后一位和读取DS18B20 的温度值同步
//我们在上面分时段的读取DS18B20 的温度值也用到了一样位宽的计数器。
end
end
always @(cnt_scan)
begin
case(cnt_scan)
//case 语句的功能是把数码管轮流点亮。
//修改cnt_scan，可以修改数码管的显示频率。
3'b000 :
en = 4'b1110; //点亮第一位数码管 .显示小数点后面一位
3'b001 :
en = 4'b1101; //点亮第二位数码管，但是他的目的是显示小数点
3'b010 :
en = 4'b1101; //点亮第二位数码管，但是他的目的是显示个位
3'b011 :
en = 4'b1011; //点亮第三位数码管，是显示十位
default :
en = 4'b1111; //点亮第八位数码管
endcase
end
always@(dataout_buf)
begin
case(dataout_buf)
4'b0000:
dataout=8'b1100_0000; //共阳数码管显示0 的段码
4'b0001:
dataout=8'b1111_1001; //共阳数码管显示1 的段码
4'b0010:
dataout=8'b1010_0100; //共阳数码管显示2 的段码
4'b0011:
dataout=8'b1011_0000; //共阳数码管显示3 的段码
4'b0100:
dataout=8'b1001_1001; //共阳数码管显示4 的段码
4'b0101:
dataout=8'b1001_0010; //共阳数码管显示5 的段码
4'b0110:
dataout=8'b1000_0010; //共阳数码管显示6 的段码
4'b0111:
dataout=8'b1111_1000; //共阳数码管显示7 的段码
4'b1000:
dataout=8'b1100_0000; //共阳数码管显示8 的段码
4'b1001:
dataout=8'b1001_0000; //共阳数码管显示9 的段码
4'b1010:
dataout=8'b0111_1111; //共阳数码管显示小数点的段码
default:
dataout=8'b1000_0000;
endcase
end
endmodule
四．经验总结
程序的思想不难，从最先开始参考了好几个论坛的帖子，到逐渐学会用状态机来写，到最后一步一步，摸着石头过河整理出完整的程序，不敢说全部都是完完全全的原创，但还是花了很多心思在上面，也明白写程序上还存在许多欠缺，希望以后一步一个脚印，继续努力加油！在这里特别感谢大学生电子实验室和电子园这两个论坛，有很多思想和程序都是参考了各位前辈的，文章的很多内容也借鉴了他们的劳动成果，在此特别感谢！

Fpga驱动的红外解码也是模仿单片机的中断写的：
module IR(clk,rst_n,IR,led_cs,led_db);
input clk;
input rst_n;
input IR;
output led_cs;
output led_db;

reg led_cs;
reg led_db;

reg led1,led2,led3,led4;
reg irda_data;
reg get_data;
reg data_cnt;
reg cs,ns;
reg error_flag;

//----------------------------------------------------------------------------
reg irda_reg0;
reg irda_reg1;
reg irda_reg2;
wire irda_neg_pulse;
wire irda_pos_pulse;
wire irda_chang;

reg cnt_scan;

always @ (posedge clk) //在此采用跟随寄存器
if(!rst_n)
   begin
   irda_reg0 <= 1'b0;
   irda_reg1 <= 1'b0;
   irda_reg2 <= 1'b0;
   end
else
   begin
   led_cs <= 4'b0000; //是数码管的位选择处于导通状态
   irda_reg0 <= IR;
   irda_reg1 <= irda_reg0;
   irda_reg2 <= irda_reg1;
   end

assign irda_chang = irda_neg_pulse | irda_pos_pulse;//IR接收信号的改变，上升或者下降
assign irda_neg_pulse = irda_reg2 & (~irda_reg1);//IR接收信号irda下降沿
assign irda_pos_pulse = (~irda_reg2) & irda_reg1;    //IR接收信号irda上升沿

reg counter;//分频1750次
reg counter2; //计数分频后的点数
wire check_9ms;// check leader 9ms time
wire check_4ms;// check leader 4.5ms time
wire low;    // checkdata="0" time
wire high;    // checkdata="1" time

//----------------------------------------------------------------------------
//分频1750计数
always @ (posedge clk)
if (!rst_n)
   counter <= 11'd0;
else if (irda_chang)//irda电平跳变了，就重新开始计数
   counter <= 11'd0;
else if (counter == 11'd1750)
   counter <= 11'd0;
else
   counter <= counter + 1'b1;

//----------------------------------------------------------------------------
always @ (posedge clk)
if (!rst_n)
   counter2 <= 9'd0;
else if (irda_chang)//irda电平跳变了，就重新开始计点
   counter2 <= 9'd0;
else if (counter == 11'd1750)
   counter2 <= counter2 +1'b1;

assign check_9ms = ((217 < counter2) & (counter2 < 297));
//257为了增加稳定性，取一定范围
assign check_4ms = ((88 < counter2) & (counter2 < 168));//128
assign low= ((6 < counter2) & (counter2 < 26));       // 16
assign high = ((38 < counter2) & (counter2 < 58));    // 48

//----------------------------------------------------------------------------
// generate statemachine状态机
parameter IDLE    = 3'b000, //初始状态
         LEADER_9 = 3'b001, //9ms
         LEADER_4 = 3'b010, //4ms
         DATA_STATE = 3'b100; //传输数据

always @ (posedge clk)
if (!rst_n)
   cs <= IDLE;
else
   cs <= ns; //状态位

always @ ( * )
case (cs)
   IDLE:
   if (~irda_reg1)
      ns = LEADER_9;
   else
      ns = IDLE;

   LEADER_9:
   if (irda_pos_pulse) //leader 9ms check
      begin
         if (check_9ms)
         ns = LEADER_4;
         else
         ns = IDLE;
      end
   else//完备的if---else--- ;防止生成latch
      ns =LEADER_9;

   LEADER_4:
   if (irda_neg_pulse)// leader 4.5ms check
      begin
         if (check_4ms)
         ns = DATA_STATE;
         else
         ns = IDLE;
      end
   else
      ns = LEADER_4;

   DATA_STATE:
   if ((data_cnt == 6'd32) & irda_reg2 & irda_reg1)
      ns = IDLE;
   else if (error_flag)
      ns = IDLE;
   else
      ns = DATA_STATE;
   default:
   ns = IDLE;
endcase

//状态机中的输出,用时序电路来描述
always @ (posedge clk)
if (!rst_n)
   begin
   data_cnt <= 6'd0;
   get_data <= 32'd0;
   error_flag <= 1'b0;
   end

else if (cs == IDLE)
   begin
   data_cnt <= 6'd0;
   get_data <= 32'd0;
   error_flag <= 1'b0;
   end

else if (cs == DATA_STATE)
   begin
   if (irda_pos_pulse)// low 0.56ms check
      begin
         if (!low)//error
         error_flag <= 1'b1;
      end
   else if (irda_neg_pulse)//check 0.56ms/1.68ms data 0/1
      begin
         if (low)
         get_data <= 1'b0;
         else if (high)
         get_data <= 1'b1;
         else
         error_flag <= 1'b1;

         get_data <= get_data;
         data_cnt <= data_cnt + 1'b1;
      end
   end

always @ (posedge clk)
if (!rst_n)
   irda_data <= 16'd0;
else if ((data_cnt ==6'd32) & irda_reg1)
begin
led1 <= get_data;//数据反码
led2 <= get_data; //数据码
led3 <= get_data;//用户码
led4 <= get_data;
end

//把遥控器的按下的键在数码管上面显示出来
always@(led2)
begin
case(led2)

                     //在数码管上面显示0到9
   8'b01101000: //遥控板0的码值
led_db=8'b1100_0000;//显示0

8'b00110000: //遥控板1的码值
led_db=8'b1111_1001;//显示1

8'b00011000: //遥控板2的码值
led_db=8'b1010_0100;//显示2

8'b01111010: //遥控板3的码值
led_db=8'b1011_0000;//显示3

8'b00010000: //遥控板4的码值
led_db=8'b1001_1001;//显示4

8'b00111000: //遥控板5的码值
led_db=8'b1001_0010;//显示5

8'b01011010: //遥控板6的码值
led_db=8'b1000_0010;//显示6

8'b01000010: //遥控板7的码值
led_db=8'b1111_1000;//显示7

8'b01001010: //遥控板8的码值
led_db=8'b1000_0000;//显示8

8'b01010010: //遥控板9的码值
led_db=8'b1001_0000;//显示9

   //在没有按下键时，显示F
   default: led_db=8'b1000_1110;

endcase
end

endmodule

经验总结：彻底感受到fpga功能的强大，虽然在处理乘除法的能力上fpga能力赶不上单片机，但是fpga完全可以构造出一个能力很强大的cpu，这就需要我们开动脑筋努力创造了，往后在EDA上还是要多花些功夫才行啊，呵呵！

单枪舞九州 发表于 2014-1-11 00:04:12

附上程序，感觉论坛了玩fpga的显得有些冷清，平时潜水的时间比较多，一有好的东西就想拿来和大家一起分享呵呵，我也只是个初学者，微博李_Tech,平时都在线，求互粉啦，大家可以一起交流，代码备注很详细，阿莫老大，还请多多指教哦，初来乍到，不懂的地方多多包涵！

guer 发表于 2014-1-11 05:43:56

支持下楼主。

gonggu8181 发表于 2014-1-11 11:28:43

我也是刚开始学习fpga，感觉到在一些方面比stm32强大，思路要改变

cj85 发表于 2014-1-13 14:04:59

下载，研究研究，谢谢楼主

zkf0100007 发表于 2014-1-13 14:40:10

多谢楼主分享 ,但是fpga处理乘除法赶不上单片机这句话全然错了

单枪舞九州 发表于 2014-1-14 08:13:28

zkf0100007 发表于 2014-1-13 14:40
多谢楼主分享 ,但是fpga处理乘除法赶不上单片机这句话全然错了

用乘除法会占好多资源，我是这么认为的，呵呵

单枪舞九州 发表于 2014-1-14 08:13:54

cj85 发表于 2014-1-13 14:04
下载，研究研究，谢谢楼主

客气了。一起加油！

单枪舞九州 发表于 2014-1-14 08:14:35

gonggu8181 发表于 2014-1-11 11:28
我也是刚开始学习fpga，感觉到在一些方面比stm32强大，思路要改变

恩恩！一起加油

wll_2012 发表于 2014-1-14 15:47:36

mark！{:smile:}

zkf0100007 发表于 2014-1-16 23:10:53

单枪舞九州发表于 2014-1-14 08:13
用乘除法会占好多资源，我是这么认为的，呵呵

可以用硬件乘法器

天行者 发表于 2014-6-26 19:11:45

顶一下。

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