DS18B20分析及VHDL代码实现

通信

本帖最后由鬼谷左原于 2016-4-7 13:24 编辑

DS18B20简介
DS18B20是一种单总线数字温度传感器。测试温度范围-55℃-125℃，温度数据位可配置为9、10、11、12位，对应的刻度值分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，对应的最长转换时间分别为93.75ms、187.5ms、375ms、750ms。出厂默认配置为12位数据，刻度值为0.0625℃，最长转换时间为750ms。从以上数据可以看出，DS18B20数据位越低、转换时间越短、反应越快、精度越低。
单总线，意味着没有时钟线，只有一根通信线。单总线读写数据是靠控制起始时间和采样时间来完成，所以时序要求很严格，这也是DS18B20驱动编程的难点。
作为一个传感器来说，对于MCU或者FPGA大都是通过设备地址和寄存器地址来访问我们想要读取的数据，但是DS18B20这个芯片这里没有地址，下面给出DS18B20 的寄存器及地址，只要照着datasheet上的时序对DS18B20进行读寄存器的内容，DS18B20就会自动完成温度的模数转化，更新到寄存器。下面是DS18B20面向MCU的寄存器内容
DS
18B20重要寄存器
Configuration Register
对于一个器件，一般都会有可以配置的寄存器，DS18B20也不例外。这个寄存器就是配置转化时间间隔和位数的这里不进行配置，使用默认的模式。
Temperature Register
高位字节前5位为符号位，其余的权重和16进制数使用方法一致。
代码实现：

Temperature_1	读取到的高字节（前面定义读取）；
temperature_buf_low	读取到的低字节（前面定义读取）；
neg_flag	负温度指示（输出）

if(temperature_1and "11111000") = "11111000"then --如果温度是负数则需要转换下,高字节
      temperature_buf_low<=(nottemperature_buf_low )+1;--低字节取反再加1
      temperature_1:=(not temperature_1);
      iftemperature_buf_low="0000000" then --低字节取反时进位处理
      temperature_1:=temperature_1+1;
      end if;
      neg_flag<='1';--负温度指示
      else neg_flag<='0';
      end if;
      temperature<=temperature_1(2 downto0)&temperature_buf_low;--温度值是templ_value2的低3位和templ_value1
DS18B20使用过程：
   (1)初始化；
   (2)发送ROMCommand（33h:只读rom,不用寻址过程）；
   (3)发送FunctionCommand（22h: 开始转换温度）；
   (4)初始化；
(5)发送ROMCommand（33h:只读rom,不用寻址过程）；
   (6)发送FunctionCommand（7dh: 开始读暂存器）；
   (7)读取温度寄存器低字节；
   (8)读取温度寄存器高字节；
时序实现：
（1）初始化时序：
a.主机拉低480us总线，
b.主机释放总线，输出高阻，或者输出高电平60us
c.DS18B20会拉低总线240us,主机等待240us时间后拉高就完成了初始化过程。
代码实现：同样使用把时序整合到状态机里面的想法。
wheninitial_1 =>
      initial_count <=  initial_count + '1';
      if initial_count=10#50# then
      dq<='1';
      elsif initial_count=10#100# then --拉低
               dq<='0';
      elsif initial_count= 10#25100#then --初始化时要求，低电平至少保持480us，这里取500us
               dq<='1';
      elsif initial_count=10#26500# then --要求15us~60us，拉高，这里取30us（530），再释放总线，以让DS18B20发出存在脉冲
               dq<='Z';
      elsif initial_count= 10#41500#then --存在脉冲为60us~240us，取 300 再拉高
               dq<='1';
      elsif initial_count>=10#51000#then --整个时序要求960us，这里取1020us
      initial_count<=(others =>'0'); --释放总线电阻拉高，初始化标志置1，即下次不进行初始化，计数器归零
      current_state<=wr_cmd1;
      dq<='Z';
   (2)写一位的时序：写时序分写0和写“1”
   a.主机拉低总线15us;
   b.主机根据输出0和1来决定拉低或者拉高总线至少60us;
   c.最后主机总线至少拉高1us;

   代码实现：
whenwr_cmd1 =>
      wr_count<= wr_count +1;
      if wr_count = 10#50# then
               dq <= '0';--将总线拉低
      elsif wr_count = 10#500# then  --在15us内向总线写一比特数值
               dq <= cmd1(cmd_bit_cnt);
      elsif wr_count=10#4500# then --在写时序的15us~60us内，DS18B20对总线采样，所以取90us
               dq<='1';
      elsif wr_count = 10#4600# then
      --在大于1us之后，总线拉低，产生下一写时序取2us
               dq<='0';
               wr_count<=(others =>'0');--计数器归零
               cmd_bit_cnt := cmd_bit_cnt-1;--写下一bit 的命令
               if cmd_bit_cnt = -1 then --写完命令，命令计数值“归零”(倒数)，状态转为1，即将写命令2
               cmd_bit_cnt :=15;
               current_state <=initial_2;
               end if;
      end if;
(3)读取一位的时序：
a.主机拉低总线至少1us;
   b.主机释放总线
c.最后主机在15us时刻读取总线电平;

代码实现：
whenrd_temp_1=>--读取第一字节温度（低字节）
rd_count<=rd_count+1;
      if rd_count = 10#50# then
      dq <= '0';
      elsif rd_count = 10#200# then --低电平至少1us，在释放总线
               dq <= 'Z';
      elsif rd_count = 10#650# then --要求在15us内读取温度
               temperature_1(rd_temp_bit_cnt):=dq;
      elsif rd_count = 10#4000# then--读时序至少60us，这里取80us
               dq<='1';
      elsif rd_count = 10#4100# then
               rd_count <= (others =>'0');
               rd_temp_bit_cnt:=rd_temp_bit_cnt+1;--读取下个比特
               if(rd_temp_bit_cnt = 8) then--读取完第一个字节
                                 rd_temp_bit_cnt:=0;--归零
                                 current_state<=rd_temp_2;
                                 temperature_buf_low<=temperature_1;
               end if;
      end if;
      3.3.5DS18B20驱动设计总结
只要按照上述的时序拼合，经验证，可以读取到温度的温度数据。由于需要给数码管显示，需要把数据转化为BCD码，这里使用整数转化的方法，使用STD_LOGIC_ARITH库的转化运算：
CONV_INTEGER：把向量转化为整数
Conv_Std_Logic_Vector：把整数转化为向量
代码实现：    --温度转化为BCD码
   process(temperature)
      begin
      --if(neg_flag = '0') then --温度为正数
      var4<=CONV_INTEGER(temperature)/1600; --百位
      var3<=CONV_INTEGER(temperature)/160rem 10; --十位
      var2<=CONV_INTEGER(temperature)/16rem 10; --个位
      var1<=CONV_INTEGER(temperature)*10/16rem 10; --小数点后一位
      --end if;
      bcd_data(15 downto12)<=Conv_Std_Logic_Vector(var4,4);
      bcd_data(11 downto8)<=Conv_Std_Logic_Vector(var3,4);
      bcd_data(7 downto4)<=Conv_Std_Logic_Vector(Var2,4);
      bcd_data(3 downto0)<=Conv_Std_Logic_Vector(Var1,4);
      end process;