FPGA设计——基于CPLD的温度计设计

开发板

1. 概述

本设计基于CPLD设计一款数字温度计，温度传感器使用DS18B20，CPLD采用EPM240T100C5。DS18B20 具有体积小，硬件开销低(只需要一根信号线)，抗干扰能力强等优点。EPM240T00C5具有延时低、功耗小、稳定性高等优点。

2. 硬件简介

硬件平台采用BigTree的CPLD开发板，有如下硬件资源：

CPLD EPM240T100C5；
USB 转串口(省去 USB 转串口线)；
LED；
有源蜂鸣器；
DS18B20 温度传感器；
四位共阳极数码管；
按键；
GPIO 拓展接口(18 个通用 IO)。
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3. 系统框图

温度采集模块：负责初始化、读写DS18B20温度传感器；
十六进制转十进制模块：将DS18B20的温度输出数据转换成十进制数据；
数码管显示模块：将转换好的十进制数据动态显示在数码管上。

4. DS18B20 工作原理

DS18B20 引脚功能
GND: 地信号
DQ: 数据信号线
VDD: 电源
存储资源
ROM: 只读存储器，用于存放 DS18B20 编码，一共 64 位，第一个 8 位是 1-wire 家族号(28h)，第二个 48 位是唯一的序列号。最后一个 8 位是前 56 位的 CRC 校验码。
RAM: 数据暂存器，共 9 个字节，第 1、 2 字节是温度转后的数据值。
EEPROM: 用于存放长期需要保持的数据，如上下限温度报警值等。
设备操作

初始化
-> 数据线拉高 1；
-> 短延时；
-> 数据线拉底 0；
-> 延时 750ms；
-> 数据线拉高 1；
-> 延时等待(如果初始化成功则在 15～60 毫秒内产生一个由 DS18B20 返回的低电平)；
-> 若读到数据线上的低电平，再做延时(第五步算起，最少 480ms)；
-> 数据线拉高，结束。
发送 ROM 指令
ROM 指令共 5 条，每一个工作周期只能发一条，分别为：读 ROM、匹配 ROM、跳跃ROM、查找 ROM 和报警查找。一般只有单个 18B20 芯片，可使用跳过 ROM 指令[CCH]。
发送存储器操作指令
在 ROM 指令后，紧接着发送存储器操作指令，分别为：
 温度转换 44H:
启动 DS18B20 进行温度转换，将温度值放入 RAM 的第 1、 2 个地址。
 读暂存器 BEH
从 RAM 中读数据，读地址从 0 开始到 9，可只读前两个字节。
 写暂存器 4EH
将数据写入暂存器的 TH、 TL 字节。
 复制暂存器 48H
把暂存器的 TH、 TL 字节写到 E2RAM 中。
 重新调 E2RAM B8H
把 E2RAM 中的 TH、 TL 字节写到暂存器 TH、 TL 字节。
 读电源供电方式 B4H
启动 DS18B20 发送电源供电方式的信号给主控。
读当前温度数据
需要执行两次工作周期，第一个周期为复位，跳过 ROM 指令，执行温度转换存储器指令等待 500us 温度转换时间。紧接着执行第二个周期为复位，跳过 ROM 指令，执行读 RAM 的存
储器，读数据。
写操作

写时隙分为写"0"和写"1"，时序如图，在写数据时间间隙的前 15us 总线需要是被主控拉低，然后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在 15-60us，采样时间内，如果主控将总线拉高则表示写 1，如果主控将总线拉低则表示写 0。每一位的发送都应该有一个至少15us 的低电平起始位随后的数据 0 或 1 应该在 45us 内完成。整个位的发送时间应该保持在60-120us，否则不能保证通信的正常。
读操作

读时隙时也是必须先由主控产生至少 1us 的低电平，表示读时间的起始。随后在总线被释放后的 15us 中 DS18B20 会发送内部数据位。注意必须要在读间隙开始的 15us 内读数据为才可以保持通信的正确。通信时，字节的读或写是从高位开始的，即 A7 到 A0。控制器释放总线，也相当于将总线置 1。
更多关于DS18B20的资料可以查看其应用手册.

5. 进制转换(Hex2Dec)

由于 DS18B20 输出的是十六进制数据，所以需要做进制转换为 10 进制输出。这里由于CPLD 资源问题，故只设计温度显示范围为： 0～47 度，最小分辨率为 1 度。

wire [7:0] data_in;assign data_in = {1'b0,temperature_buf[10:4]};reg [7:0] buf0;reg [7:0] buf1;reg [7:0] buf2;reg [7:0] data_out;always @(*) case(data_in[7:4]) 0: begin buf0[3:0] = (data_in[3:0]>=10)?(data_in[3:0]-10):data_in[3:0]; buf0[7:4] = (data_in[3:0]>=10)?(data_in[7:4]+1):data_in[7:4]; data_out = buf0; end 1: begin buf0[3:0] = (data_in[3:0]>=10)?(data_in[3:0]-10 + 6):(data_in[3:0]+6); buf0[7:4] = (data_in[3:0]>=10)?(data_in[7:4]+1):data_in[7:4]; buf1[3:0] = (buf0[3:0]>=10)?(buf0[3:0]-10):buf0[3:0]; buf1[7:4] = (buf0[3:0]>=10)?(buf0[7:4]+1):buf0[7:4]; data_out = buf1; end 2: begin buf0[3:0] = (data_in[3:0]>=10)?(data_in[3:0]-10 + 6):(data_in[3:0]+6); buf0[7:4] = (data_in[3:0]>=10)?(data_in[7:4]+1):data_in[7:4]; buf1[3:0] = (buf0[3:0]>=10)?(buf0[3:0]-10 + 6):(buf0[3:0]+6); buf1[7:4] = (buf0[3:0]>=10)?(buf0[7:4]+1):buf0[7:4]; buf2[3:0] = (buf1[3:0]>=10)?(buf1[3:0]-10):(buf1[3:0]); buf2[7:4] = (buf1[3:0]>=10)?(buf1[7:4]+1):buf1[7:4]; data_out = buf2; end default: begin data_out = data_in; end endcaseassign temperature = data_out[7:0]
6. 数码管显示

本设计采用4位共阳极数码管作为温度显示模块，驱动代码如下：

//-----------------数码管显示-------------------assign sm_sel ={2'b11,sm_sel_r};assign sm_dat = sm_dat_r;//XXXX = 8'b{a,b,c,d,e,f,g,dp}parameter ZERO = 8'b0000_0011,//8'b1100_0000, ONE = 8'b1001_1111,//8'b1111_1001, TWO = 8'b0010_0101,//8'b1010_0100, THREE = 8'b0000_1101,//8'b1011_0000, FOUR = 8'b1001_1001,//8'b1001_1001, FIVE = 8'b0100_1001,//8'b1001_0010, SIX = 8'b0100_0001,//8'b1000_0010, SEVEN = 8'b0001_1111,//8'b1111_1000, EIGHT = 8'b0000_0001,//8'b1000_0000, NINE = 8'b0000_1001;//8'b1001_0000; reg [7:0] sm_dat_r; reg [7:0] sm_dat_r1;reg [7:0] sm_dat_r2;always @ (*) case( temperature[3:0] ) 4'd0 : sm_dat_r1 <= ZERO; 4'd1 : sm_dat_r1 <= ONE; 4'd2 : sm_dat_r1 <= TWO; 4'd3 : sm_dat_r1 <= THREE; 4'd4 : sm_dat_r1 <= FOUR; 4'd5 : sm_dat_r1 <= FIVE; 4'd6 : sm_dat_r1 <= SIX; 4'd7 : sm_dat_r1 <= SEVEN; 4'd8 : sm_dat_r1 <= EIGHT; 4'd9 : sm_dat_r1 <= NINE; default:sm_dat_r1 <= 8'hFF; endcasealways @ (*) case( temperature[6:4] ) 4'd0 : sm_dat_r2 <= ZERO; 4'd1 : sm_dat_r2 <= ONE; 4'd2 : sm_dat_r2 <= TWO; 4'd3 : sm_dat_r2 <= THREE; 4'd4 : sm_dat_r2 <= FOUR; 4'd5 : sm_dat_r2 <= FIVE; 4'd6 : sm_dat_r2 <= SIX; 4'd7 : sm_dat_r2 <= SEVEN; 4'd8 : sm_dat_r2 <= EIGHT; 4'd9 : sm_dat_r2 <= NINE; endcase reg [1:0] sm_sel_r;reg [0:0] sm_cnt;always @(posedge clk_ref) sm_cnt <= sm_cnt + 1'b1; always @(sm_cnt) case(sm_cnt) 'd0: begin sm_sel_r <= 2'b01; sm_dat_r <= sm_dat_r1; end 'd1: begin sm_sel_r <= 2'b10; sm_dat_r <= sm_dat_r2; end default: begin sm_sel_r <= 2'b11; sm_dat_r <= ZERO; end endcase
7. 最终结果

下图为实测的温度结果，比实际温度高出2-3度。由于芯片出厂的误差(没有对0校准)，加上板卡本身的散热，使得温度偏高2～3度。但不影响我们学习使用。