基于FPGA的DS18B20數字溫度傳感器測溫實(shí)例

1、DS18B20數字溫度傳感器

本文將使用三段式狀態(tài)機（Moore型）的寫(xiě)法來(lái)對DS18B20進(jìn)行測溫操作，以便了解DS18B20和熟悉三段式狀態(tài)機的寫(xiě)法。

1.1、概述

溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器， 是各種傳感器中最常用的一種。隨著(zhù)現代儀器的發(fā)展，微型化、集成化、數字化正成為傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。
美國DALLAS半導體公司推出的數字化溫度傳 感器DS18B20采用單總線(xiàn)協(xié)議，即與FPGA接口僅需占用一個(gè)I/O端口，無(wú)須任何外部元件，直接 將環(huán)境溫度轉化成數字信號，以數字碼方式串行輸出，從而大大簡(jiǎn)化了傳感器與FPGA的接口設計。
引腳如下圖：

1.2、結構組成

DS18B20測量溫度范圍為-55~+125℃，精度為±0.5℃?，F場(chǎng)（實(shí)時(shí)）溫度直接以“單總線(xiàn)” 的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。它能直接讀出被測溫度，并且可根據實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現9~l2位的數字值讀數方式。它工作在3~5.5V的電壓范圍，采用多種封裝形式，從而使系統設計靈活、方便，設定分辨率及用戶(hù)設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后 依然保存。其內部結構如圖：

高速緩存器的結構框圖如下：

由上圖可知DS18B20的高速緩存器共有9個(gè)8位寄存器，其中溫度數據低位（LSB）對應字節 地址0，溫度數據高位（MSB）對應字節地址1，以此類(lèi)推，配置寄存器的字節地址為4。溫度數據存放的格式如下圖：

DS18B20在出廠(chǎng)時(shí)默認配置溫度數據為12位，其中最高位為符號位，即溫度值共11位，最低四位為小數位。FPGA在讀取溫度數據時(shí)，一次會(huì )讀2字節共16位，讀完后將低11位的二進(jìn)制 數轉化為十進(jìn)制數后再乘以0.0625得到所測的實(shí)際溫度值。
另外還需要判斷溫度的正負，前5 個(gè)數字為符號位，這5位同時(shí)變化，我們只需要判斷其中任何一位就可以了。前5位為1時(shí)，讀 取的溫度為負值，則測到的數值需要取反加1再乘以0.0625才可得到實(shí)際溫度值。前5位為0時(shí)， 讀取的溫度為正值，只要將測得的數值乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度值。
高速緩存器中第四個(gè)字節即為配置寄存器，用戶(hù)通過(guò)改變 R1 和 R0 的值來(lái)配置 DS18B20 的分辨率，上電默認為 R1=1 以及 R0=1（12 位分辨率）。需要注意的是轉換時(shí)間與分辨率時(shí)間是有關(guān)系的。另外寄存器中最高位和低 5 位作 為內部使用而保留使用，不可被寫(xiě)入。轉換時(shí)間與位數關(guān)系如下表所示：

1.3、通訊步驟

如何操作 DS18B20 去進(jìn)行對溫度的轉換以及讀取呢？步驟如下：
1. 初始化
1-Wire 總線(xiàn)上的所有事件都必須以初始化為開(kāi)始。初始化序列由總線(xiàn)上的主設備發(fā)出的復位脈沖以及緊跟著(zhù)從設備回應的存在脈沖構成。該存在脈沖是讓總線(xiàn)主設備知道 DS18B20 在總線(xiàn)上并準備好運行。所有具體時(shí)序都在1.4章節介紹。

2. ROM命令

當初始化完成之后，就可以執行 ROM 命令。這些命令是對每個(gè)設備的 64 位 ROM 編 碼進(jìn)行操作的，當總線(xiàn)上連接有多個(gè)設備時(shí)，可以通過(guò)這些命令識別各個(gè)設備?？偣舶?有 5 種 ROM 命令，每個(gè)命令的長(cháng)度都是 8bit。
搜索 ROM[F0h]：當系統上電初始化后，主設備可識別該總線(xiàn)上所有的從設備的 ROM 編碼，這樣就可以使得主設備確定總線(xiàn)上的從設備的類(lèi)型以及數量。
讀 ROM[33h] ：該命令允許主設備讀取 DS18B20 的 64 位 ROM 編碼，只有在總線(xiàn)上只有一個(gè) DS18B20 時(shí)才能使用這個(gè)命令。如果總線(xiàn)上存在多個(gè)從設備，發(fā)送此命令，則當所有從設 備都會(huì )回應時(shí)，將會(huì )引起數據沖突。
匹配 ROM[55h] ：該匹配 ROM 命令之后接著(zhù)發(fā)出 64 位 ROM 編碼，使主設備在多點(diǎn)總線(xiàn)上定位一只特定的 DS18B20。只有和 64 位 ROM 序列完全匹配的 DS18B20 才會(huì )做出響應?？偩€(xiàn)上的其 他從設備都將等待下一個(gè)復位脈沖。此命令在總線(xiàn)上有單個(gè)或多個(gè)器件時(shí)都可以使用。
跳過(guò) ROM[CCh] ：這條命令可以不用提供 64 位 ROM 編碼就進(jìn)行下一步操作，在單點(diǎn)總線(xiàn)（一個(gè) DS18B20 傳感器）情況下可以節省時(shí)間。如果總線(xiàn)上不止一個(gè)從設備，在跳過(guò) ROM 命令 之后跟著(zhù)發(fā)一條讀命令，則所有從設備將會(huì )同時(shí)執行溫度轉換，總線(xiàn)上就會(huì )發(fā)生數據沖突。
警報搜索[ECh] ：該命令的操作與跳過(guò) ROM 命令基本相同，但是不同的是只有溫度高于 TH 或低于 TL （達到報警條件）的從設備才會(huì )響應。只要不掉電，警報狀態(tài)將一直保持，直到溫度不在警報范圍內為止。

3. 功能命令

當總線(xiàn)上的主設備通過(guò) ROM 命令確定了哪個(gè) DS18B20 可以進(jìn)行通信時(shí)，主設備就可 以向其中一個(gè)從設備發(fā)送功能命令。這些命令可以使得主設備操控從設備進(jìn)行一系列的操作。
溫度轉換[44h]： 此命令為初始化單次溫度轉換，溫度轉換完后，轉換的溫度數據會(huì )寄存在高速緩存器 的 byte0（溫度數據低八位）和 byte1（溫度數據高八位）中，之后 DS18B20 恢復到低功耗 的閑置狀態(tài)。如果總線(xiàn)在該命令后發(fā)出讀時(shí)隙，若 DS18B20 正在進(jìn)行溫度轉換則會(huì )響應 “0”，若完成了溫度轉換則響應“1”。如果是用的“寄生電源”供電模式，則在命令發(fā) 出后應立即強制拉高總線(xiàn)，拉高時(shí)間應大于時(shí)序要求。
寫(xiě)入暫存器[4Eh] ：該命令使得主設備向高速緩存器寫(xiě)入 3 個(gè)字節的數據。第一個(gè)字節寫(xiě)入高速緩存器的 byte2 中（TH 寄存器），第二個(gè)字節的數據寫(xiě)入 byte3 中（TL 寄存器），第三個(gè)字節的數據寫(xiě)入 byte4 中（配置寄存器）。所有的數據都是由低位到高位的順序寫(xiě)入。復位可隨時(shí)中斷寫(xiě)入。
讀取高速緩存器[BEh] ：讀取高速緩存器里的值，從 byte0（溫度低八位）開(kāi)始一直讀到 byte8（CRC 校驗），每個(gè)字節的數據從低位開(kāi)始傳送。若是不想讀取這么多數據則在讀取數據時(shí)隨時(shí)可以通過(guò)復位來(lái)終止。
復制高速緩存器[48h] ：該命令是將高速緩存器中的 TH（byte2）、TL（byte3）以及配置寄存器（byte4）里的 值拷貝到非易失性的存儲器 EEPROM 里。如果總線(xiàn)控制器在這條命令之后跟著(zhù)發(fā)出讀時(shí) 隙，而 DS18B20 又正在忙于把暫存器拷貝到 EEPROM 存儲器，DS18B20 就會(huì )輸出一個(gè) “0”，如果拷貝結束的話(huà)，DS18B20 則輸出“1”。如果設備采用“寄生電源”供電模 式，則在該命令發(fā)送后，必須立即強制拉高總線(xiàn)至少 10ms。
召回 EEPROM[B8h] ：該命令將溫度報警觸發(fā)值（TH 和 TL）及配置寄存器的數據從 EEPROM 中召回至高速 緩存器中。這個(gè)操作會(huì )在上電后自動(dòng)執行一次，所以在上電期間暫存器中一直會(huì )存在有效 的數據。若在召回命令之后啟動(dòng)讀時(shí)隙，若 DS18B20 正在進(jìn)行召回 EEPROM 則會(huì )響應 “0”，若召回完成則響應“1”。
讀取供電模式[B4h] ：該命令可以讀取總線(xiàn)上的 DS18B20 是否是由“寄生電源”供電。在讀取數據時(shí)序中 “0”表示“寄生電源供”模式供電，“1”表示外部電源供電。

1.4、總線(xiàn)時(shí)序

初始化—復位和存在脈沖
與 DS18B20 所有的通信都是由初始化開(kāi)始的，初始化由主設備發(fā)出的復位脈沖及 DS18B20 響應的存在脈沖組成。如下圖 所示。當 DS18B20 響應復位信號的存在脈沖 后，則其向主設備表明其在該總線(xiàn)上，并且已經(jīng)做好了執行命令的準備。 在初始化狀態(tài)，總線(xiàn)上的主設備通過(guò)拉低 1-Wire 總線(xiàn)最少 480us 來(lái)表示發(fā)送復位脈 沖。發(fā)送完之后，主設備要釋放總線(xiàn)進(jìn)入接收模式。當總線(xiàn)釋放后，上拉電阻將 1- Wire 總線(xiàn)拉至高電平。當 DS18B20 檢測到該上升沿信號后，其等待 15us 至 60us 后將總線(xiàn) 拉低 60us 至 240us 來(lái)實(shí)現發(fā)送一個(gè)存在脈沖。

寫(xiě)時(shí)隙
主設備通過(guò)寫(xiě)時(shí)隙將命令寫(xiě)入 DS18B20 中，寫(xiě)時(shí)隙有兩種情況：寫(xiě)“1”和寫(xiě)“0”時(shí) 隙。主設備通過(guò)寫(xiě) 1 時(shí)隙來(lái)向 DS18B20 中寫(xiě)入邏輯 1，通過(guò)寫(xiě) 0 時(shí)隙來(lái)向 DS18B20 中寫(xiě)入 邏輯 0。當主設備將總線(xiàn)從高電平拉至低電平時(shí)，啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)隙，所有的寫(xiě)時(shí)隙持續時(shí)間最 少為 60us，每個(gè)寫(xiě)時(shí)隙間的恢復時(shí)間最少為 1us。 當總線(xiàn)（DQ）拉低后，DS18B20 在 15us 至 60us 之間對總線(xiàn)進(jìn)行采樣，如果采的 DQ 為高電平則發(fā)生寫(xiě) 1，如果為低電平則發(fā)生寫(xiě) 0，如下圖所示（圖中的總線(xiàn)控制器即為主設備）。 如果要產(chǎn)生寫(xiě) 1 時(shí)隙，必須先將總線(xiàn)拉至邏輯低電平然后釋放總線(xiàn)，允許總線(xiàn)在寫(xiě) 隙開(kāi)始后 15us 內上拉至高電平。若要產(chǎn)生寫(xiě) 0 時(shí)隙，必須將總線(xiàn)拉至邏輯低電平并保持不 變最少 60us。

讀時(shí)隙

當我們發(fā)送完讀取供電模式[B4h]或讀高速緩存器[BEh]命令時(shí)，必須及時(shí)地生成讀時(shí)隙，只有在讀時(shí)隙 DS18B20 才能向主設備傳送數據。每個(gè)讀時(shí)隙最小必須有 60us 的持續 時(shí)間以及每個(gè)讀時(shí)隙間至少要有 1us 的恢復時(shí)間。當主設備將總線(xiàn)從高電平拉至低電平超 過(guò) 1us，啟動(dòng)讀時(shí)隙，如下圖所示。當啟動(dòng)讀時(shí)隙后，DS18B20 將會(huì )向主設備發(fā)送“0”或者“1”。DS18B20 通過(guò)將總線(xiàn) 拉高來(lái)發(fā)送 1，將總線(xiàn)拉低來(lái)發(fā)送 0 。當讀時(shí)隙完成后，DQ 引腳將通過(guò)上拉電阻將總線(xiàn)拉高至高電平的閑置狀態(tài)。從 DS18B20 中輸出的數據在啟動(dòng)讀時(shí)隙后的 15us 內有效，所以，主設備在讀時(shí)隙開(kāi)始后的 15us 內必須釋放總線(xiàn)，并且對總線(xiàn)進(jìn)行采樣。

2、采用三段式狀態(tài)機測試

接下來(lái)將采用三段式狀態(tài)機對DS18B20進(jìn)行測溫操作。
2.1、整體設計
因為本文只寫(xiě)DS18B20的驅動(dòng)，不涉及到其他模塊（如數碼管），所以模塊框圖如下：

信號說(shuō)明如下：
sys_clk：系統時(shí)鐘，50M

rst_n：低電平有效的復位信號

dq：?jiǎn)慰偩€(xiàn)（雙向信號）

temp_data：輸出的有效數據，位寬20

sign：輸出給數碼管的正負信號，1表示數據為負數；0表示數據為正數

根據上面對DS18B20的介紹，可以概括出整個(gè)的測溫流程如下：

2.2、狀態(tài)機設計

三段式狀態(tài)機的概念可以參考：狀態(tài)機（一段式、二段式、三段式）、摩爾型（Moore）和米勒型（Mealy）
當知道了 DS18B20 的控制流程之后，我們可以借助狀態(tài)機來(lái)進(jìn)一步了解它是如何跳轉的：

下面對各狀態(tài)說(shuō)明：

INIT1：每次操作前都需要進(jìn)行初始化操作。在這個(gè)狀態(tài)主機會(huì )使用一個(gè)計數器從0計數到1000us。一開(kāi)始就先拉低總線(xiàn)500us，然后釋放總線(xiàn)；在570us處采集總線(xiàn)電平，若為0，則說(shuō)明總線(xiàn)進(jìn)行了響應，初始化完成。
WR_CMD：在這個(gè)狀態(tài)一起發(fā)送跳過(guò)ROM和溫度轉換指令。使用一個(gè)計數器計時(shí)，使用另一個(gè)計數器則對發(fā)送的數據個(gè)數計數，當成功發(fā)送16個(gè)數據后，發(fā)送命令完成
WAIT：這個(gè)狀態(tài)為延時(shí)狀態(tài)，滿(mǎn)足發(fā)送溫度轉換指令后的等待時(shí)間750ms。使用一個(gè)計數器計時(shí)，時(shí)間滿(mǎn)足750ms則說(shuō)明計時(shí)完成。
INIT2：第二次操作前的初始化操作。所有操作同INIT1，不贅述。
RD_CMD：在這個(gè)狀態(tài)一起發(fā)送跳過(guò)ROM和讀取溫度指令。使用一個(gè)計數器計時(shí)，使用另一個(gè)計數器則對發(fā)送的數據個(gè)數計數，當成功發(fā)送16個(gè)數據后，發(fā)送命令完成
RD_DATA：在這個(gè)狀態(tài)讀取從機返回的16位溫度數據。使用一個(gè)計數器計時(shí)，使用另一個(gè)計數器則對讀取的數據個(gè)數計數，使用一個(gè)寄存器寄存讀取到的溫度數據，當成功讀取16個(gè)數據后，接收命令完成
需要注意：信號線(xiàn)dq是一個(gè)雙向信號，所以使用時(shí)要用使用三態(tài)門(mén)的方法來(lái)操作，具體方法參考：如何規范地使用雙向（inout）信號？

2.3、Verilog代碼

根據上面的狀態(tài)分析圖，編寫(xiě)Verilog代碼如下：（這里就不寫(xiě)分析了，注釋已經(jīng)寫(xiě)得很詳細了，如果你看到了這邊文章且這段代碼又不懂的地方，可以評論給我）

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//--3段式狀態(tài)機（Moore）實(shí)現的DS18B20驅動(dòng)
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//------------<模塊及端口聲明>----------------------------------------
module ds18b20_dri(
	input 				clk			,		//系統時(shí)鐘，50M
	input				rst_n		,       //低電平有效的復位信號	
	
	inout				dq			,		//單總線(xiàn)（雙向信號）
	output reg [19:0]   temp_data  	,   	// 轉換后得到的溫度值
    output reg          sign 				// 符號位
);
 
//------------<參數定義>----------------------------------------------
//狀態(tài)機狀態(tài)定義
localparam	INIT1		= 6'b000001 ,
			WR_CMD      = 6'b000010 ,
			WAIT  		= 6'b000100 ,
			INIT2  		= 6'b001000 ,
			RD_CMD  	= 6'b010000 ,
			RD_DATA  	= 6'b100000 ;
		
//時(shí)間參數定義
localparam	T_INIT = 1000		,			//初始化最大時(shí)間，單位us
			T_WAIT = 780_000	;			//轉換等待延時(shí)，單位us
	
//命令定義	
localparam 	WR_CMD_DATA = 16'h44cc, 		//跳過(guò) ROM 及溫度轉換命令，低位在前
			RD_CMD_DATA = 16'hbecc; 		//跳過(guò) ROM 及讀取溫度命令，低位在前
					
//------------<reg定義>----------------------------------------------		
reg	[5:0]	cur_state	;					//現態(tài)
reg	[5:0]	next_state	;					//次態(tài)
reg	[4:0]	cnt			;					//50分頻計數器，1Mhz(1us)
reg			dq_out		;					//雙向總線(xiàn)輸出
reg			dq_en		;					//雙向總線(xiàn)輸出使能，1則輸出，0則高阻態(tài)
reg			flag_ack	;					//從機響應標志信號
reg			clk_us		;					//us時(shí)鐘
reg [19:0]	cnt_us		;					//us計數器,最大可表示1048ms
reg [3:0]	bit_cnt		;					//接收數據計數器
reg [15:0]	data_temp	;					//讀取的溫度數據寄存
reg [15:0]	data		;					//未處理的原始溫度數據
				
//------------<wire定義>----------------------------------------------				
wire		dq_in		;					//雙向總線(xiàn)輸入
 
//==================================================================
//===========================<main  code>===========================
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//-----------------------------------------------------------------------
//--雙向端口使用方式
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assign	dq_in = dq;							//高阻態(tài)的話(huà)，則把總線(xiàn)上的數據賦給dq_in
assign	dq =  dq_en ? dq_out : 1'bz;		//使能1則輸出，0則高阻態(tài)
//-----------------------------------------------------------------------
//--us時(shí)鐘生成，因為時(shí)序都是以us為單位，所以生成一個(gè)1us的時(shí)鐘會(huì )比較方便
//-----------------------------------------------------------------------
//50分頻計數
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		cnt <= 5'd0;
	else if(cnt == 5'd24)					//每25個(gè)時(shí)鐘500ns清零
		cnt <= 5'd0;
	else
		cnt <= cnt + 1'd1;
end
//生成1us時(shí)鐘
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		clk_us <= 1'b0;
	else  if(cnt == 5'd24)					//每500ns
		clk_us <= ~clk_us;                  //時(shí)鐘反轉
	else
		clk_us <= clk_us;
end
//-----------------------------------------------------------------------
//--三段式狀態(tài)機
//-----------------------------------------------------------------------
//狀態(tài)機第一段：同步時(shí)序描述狀態(tài)轉移
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)		
		cur_state <= INIT1;	
	else
		cur_state <= next_state;
end
//狀態(tài)機第二段：組合邏輯判斷狀態(tài)轉移條件，描述狀態(tài)轉移規律以及輸出
always @(*)begin
	next_state = INIT1;	
	case(cur_state)
		INIT1		:begin
			if(cnt_us == T_INIT && flag_ack)				//滿(mǎn)足初始化時(shí)間且接收到了從機的響應信號	
				next_state = WR_CMD;						//跳轉到寫(xiě)狀態(tài)
			else	
				next_state = INIT1;							//不滿(mǎn)足則保持原有狀態(tài)
		end	
		WR_CMD       :begin	
			if(bit_cnt == 4'd15 && cnt_us == 20'd62)		//寫(xiě)完了16個(gè)數據，寫(xiě)跳過(guò)ROM和寫(xiě)溫度轉換命令	
				next_state = WAIT;							//跳轉到等待狀態(tài)，等待溫度轉換完成 
			else	
				next_state = WR_CMD;						//不滿(mǎn)足則保持原有狀態(tài)
		end	
		WAIT  :begin	
			if(cnt_us == T_WAIT)							//等待時(shí)間結束
				next_state = INIT2;	
			else	
				next_state = WAIT;	
		end	
		INIT2  :begin	
			if(cnt_us == T_INIT && flag_ack)				//再進(jìn)行初始化，時(shí)序同INIT1
				next_state = RD_CMD;
			else
				next_state = INIT2;
		end
		RD_CMD  :begin
			if(bit_cnt == 4'd15 && cnt_us == 20'd62)		//寫(xiě)完了16個(gè)數據，寫(xiě)跳過(guò)ROM和寫(xiě)讀取溫度轉換命令	
				next_state = RD_DATA;						//跳轉到讀取溫度數據狀態(tài)
			else	
				next_state = RD_CMD;	
		end	
		RD_DATA  :begin	
			if(bit_cnt == 4'd15 && cnt_us == 20'd62)		//讀取完了16個(gè)數據
				next_state = INIT1;							//跳轉到初始化狀態(tài)，開(kāi)始新一輪溫度采集
			else	
				next_state = RD_DATA;	
		end			
		default:next_state = INIT1;							//默認初始化狀態(tài)
	endcase
end	
//狀態(tài)機第三段：時(shí)序邏輯描述輸出
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)begin											//默認輸出
		dq_en <= 1'b0;
		dq_out <= 1'b0;
		flag_ack <= 1'b0;
		cnt_us <= 20'd0;
		bit_cnt <= 4'd0;
	end
	else begin 	
		case(cur_state)
			INIT1	:begin
				if(cnt_us == T_INIT)begin					//時(shí)間計數到最大值（初始化時(shí)間）
					cnt_us <= 20'd0;						//計數器清零
					flag_ack <= 1'b0;						//從機響應標志信號拉低
				end
				else begin									//沒(méi)有計數到最大值
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;				//計數器計數
					if(cnt_us <= 20'd499)begin				//小于500us時(shí)
						dq_en <= 1'b1;						//控制總線(xiàn)
						dq_out <= 1'b0;						//輸出0，即拉低總線(xiàn)
					end
					else begin								//在500us處
						dq_en <= 1'b0;						//釋放總線(xiàn)，等待從機響應						
						if (cnt_us == 20'd570 && !dq_in)	//在570us處采集總線(xiàn)電平，如果為0則說(shuō)明從機響應了
							flag_ack <= 1'b1;				//拉高從機響應標志信號
					end	
				end
			end
			WR_CMD	:begin
				if(cnt_us == 20'd62)begin						//一個(gè)寫(xiě)時(shí)隙周期63us，滿(mǎn)足計時(shí)條件則
					cnt_us <= 20'd0;							//清空計數器
					dq_en <= 1'b0;								//釋放總線(xiàn)
					if(bit_cnt == 4'd15)						//如果數據已經(jīng)寫(xiě)了15個(gè)
						bit_cnt <= 4'd0;						//則清空
					else										//沒(méi)寫(xiě)15個(gè)
						bit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;				//則數據計數器+1，代表寫(xiě)入了一個(gè)數據
				end	
				else begin										//一個(gè)寫(xiě)時(shí)隙周期63us未完成
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;					//計數器一直計數
					if(cnt_us <= 20'd1)begin					//0~1us（每?jì)蓚€(gè)寫(xiě)數據之間需要間隔2us）
						dq_en <= 1'b1;							//拉低總線(xiàn)
						dq_out <= 1'b0;
					end
					else begin					
						if (WR_CMD_DATA[bit_cnt] == 1'b0)begin	//需要寫(xiě)入的數據為0
							dq_en <= 1'b1;						//拉低總線(xiàn)
							dq_out <= 1'b0;						//								
						end
						else if(WR_CMD_DATA[bit_cnt] == 1'b1)begin
							dq_en <= 1'b0;						//需要寫(xiě)入的數據為1
							dq_out <= 1'b0;						//釋放總線(xiàn)						
						end
					end	
				end		
			end		
			WAIT	:begin										//等待溫度轉換完成
				dq_en <= 1'b1;									//拉低總線(xiàn)兼容寄生電源模式
				dq_out <= 1'b1;									
				if(cnt_us == T_WAIT)							//計數完成
					cnt_us <= 20'd0;
				else
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;
			end	
			INIT2	:begin										//第二次初始化，時(shí)序同INIT1
				if(cnt_us == T_INIT)begin						
					cnt_us <= 20'd0;
					flag_ack <= 1'b0;
				end
				else begin
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;
					if(cnt_us <= 20'd499)begin
						dq_en <= 1'b1;						
						dq_out <= 1'b0;
					end
					else begin
						dq_en <= 1'b0;												
						if (cnt_us == 20'd570 && !dq_in)
							flag_ack <= 1'b1;
					end	
				end
			end	
			RD_CMD	:begin										//寫(xiě)16個(gè)數據，時(shí)序同WR_CMD
				if(cnt_us == 20'd62)begin
					cnt_us <= 20'd0;
					dq_en <= 1'b0;
					if(bit_cnt == 4'd15)
						bit_cnt <= 4'd0;
					else
						bit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;
				end
				else begin
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;
					if(cnt_us <= 20'd1)begin
						dq_en <= 1'b1;							
						dq_out <= 1'b0;
					end
					else begin					
						if (RD_CMD_DATA[bit_cnt] == 1'b0)begin
							dq_en <= 1'b1;						
							dq_out <= 1'b0;														
						end
						else if(RD_CMD_DATA[bit_cnt] == 1'b1)begin
							dq_en <= 1'b0;						
							dq_out <= 1'b0;												
						end
					end	
				end
			end	
			RD_DATA	:begin										//讀16位溫度數據
				if(cnt_us == 20'd62)begin						//一個(gè)讀時(shí)隙周期63us，滿(mǎn)足計時(shí)條件則
					cnt_us <= 20'd0;							//清空計數器
					dq_en <= 1'b0;								//釋放總線(xiàn)
					if(bit_cnt == 4'd15)begin					//如果數據已經(jīng)讀取了15個(gè)
						bit_cnt <= 4'd0;						//則清空
						data <= data_temp;						//臨時(shí)的數據賦值給data
					end
					else begin									//如果數據沒(méi)有讀取15個(gè)
						bit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;				//則數據計數器+1，意味著(zhù)讀取了一個(gè)數據
						data <= data;
					end
				end
				else begin										//一個(gè)讀時(shí)隙周期還沒(méi)結束
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;					//計數器累加
					if(cnt_us <= 20'd1)begin					//0~1us（每?jì)蓚€(gè)讀數據之間需要間隔2us）
						dq_en <= 1'b1;							//拉低總線(xiàn)
						dq_out <= 1'b0;
					end
					else begin									//2us后
						dq_en <= 1'b0;							//釋放總掉線(xiàn)					
						if (cnt_us == 20'd10)					//在10us處讀取總線(xiàn)電平
							data_temp <= {dq,data_temp[15:1]};	//讀取總線(xiàn)電平
					end	
				end
			end
			default:;		
		endcase
	end
end
 
//-----------------------------------------------------------------------
//--12位溫度數據處理
//-----------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)begin													//初始狀態(tài)
		temp_data <= 20'd0;	
		sign  <= 1'b0;	
	end	
	else begin	
		if(!data[15])begin											//最高位為0則溫度為正
			sign  <= 1'b0;											//標志位為正
			temp_data <= data[10:0] * 11'd625 /7'd100;				//12位溫度數據處理
		end	
		else if(data[15])begin										//最高位為1則溫度為負
			sign  <= 1'b1;											//標志位為負
			temp_data <= (~data[10:0] + 1'b1)* 11'd625 /7'd100;		//12位溫度數據處理			
		end
	end
end
endmodule

2.4、調試


因為通訊過(guò)程涉及到從機的響應，我又找不到相應的器件模型，仿真就不搞了。
直接使用signaltap抓下波形：



上圖中：
狀態(tài)機開(kāi)始運行，進(jìn)入INTI1的初始化狀態(tài)
dht11_en拉高同時(shí)dht11_out為0，說(shuō)明主機拉低了總線(xiàn)
主機拉低總線(xiàn)后在500us處釋放了總線(xiàn)，總線(xiàn)被上拉電阻拉高
在528us處總線(xiàn)被從機拉低，直至637us從機才釋放了總線(xiàn)，說(shuō)明從機發(fā)送了響應
在570us處因為總線(xiàn)被從機拉低，所以拉高了響應信號flag_ack，直到進(jìn)入下個(gè)狀態(tài)才將flag_ack拉低



上圖中：
狀態(tài)機從INTI1的初始化狀態(tài)跳轉到寫(xiě)入ROM和溫度轉換命令的狀態(tài)WR_CMD
bit_cnt從0計數到F，說(shuō)明寫(xiě)入了16個(gè)數據；與此同時(shí)，總線(xiàn)上也在分別寫(xiě)入“0”和“1”



上圖中：
狀態(tài)機從WAIT狀態(tài)跳轉到初始化狀態(tài)INIT2
cnt_us計數器從780000清零，說(shuō)明此時(shí)延時(shí)了780ms的時(shí)間以便完成溫度轉換



上圖中：
狀態(tài)機從狀態(tài)RD_CMD跳轉到數據讀取狀態(tài)RD_DATA
bit_cnt從0計數到F，說(shuō)明讀取了16個(gè)數據；與此同時(shí)，總線(xiàn)上也在分別輸出“0”和“1”



上圖中：
data是直接從DS18B20溫度寄存器中讀取的數據0000000111111001
temp_data是處理后發(fā)送給數碼管顯示的數據3156，對應攝氏度31.56

3、上板調試

添加數碼管顯示模塊，編譯工程，板卡顯示如下：



和用調試軟件抓取的結果一致。

4、參考

DS18B20—Dalas Semiconductor
FPGA Verilog 開(kāi)發(fā)實(shí)戰指南—基于 Intel Cyclone IV—野火電子