【FPGA】单总线——DS18B20

项目：项目（含quartus工程、仿真文件）

[1. 单总线通信时序详解](#1. 单总线通信时序详解)

[1.1 初始化（复位脉冲 + 存在脉冲）](#1.1 初始化（复位脉冲 + 存在脉冲）)

[1.2 写时隙（写"0"和写"1"）](#1.2 写时隙（写“0”和写“1”）)

[1.3 读时隙](#1.3 读时隙)

[2. DS18B20 暂存器与温度数据格式](#2. DS18B20 暂存器与温度数据格式)

[2.1 暂存器结构](#2.1 暂存器结构)

[2.2 温度数据格式（16位补码）](#2.2 温度数据格式（16位补码）)

[2.3 常用 ROM 命令](#2.3 常用 ROM 命令)

[3. 温度读取工作流程](#3. 温度读取工作流程)

[3.1 状态机流程（ds18b20_driver.v）](#3.1 状态机流程（ds18b20_driver.v）)

[3.2 数据处理流程（data_process.v）](#3.2 数据处理流程（data_process.v）)

[4. 系统框架结构](#4. 系统框架结构)

[4.1 顶层模块（sys_top.v）](#4.1 顶层模块（sys_top.v）)

[4.2 模块功能说明](#4.2 模块功能说明)

[4.3 数据流图](#4.3 数据流图)

总结

项目：项目（含quartus工程、仿真文件）

1. 单总线通信时序详解

DS18B20 采用单总线（1-Wire）协议进行通信，所有操作都通过一根数据线（DQ）完成，包括初始化、写时隙和读时隙。

1.1 初始化（复位脉冲 + 存在脉冲）

主机行为：拉低总线至少 480µs，然后释放总线。
从机响应：DS18B20 在接收到复位脉冲后，会在 15~60µs 内拉低总线 60~240µs，作为存在脉冲。
代码实现 （ds18b20_driver.v）：

bash 复制代码

if(cnt_xx < 480) begin
    dq_out <= 1'b0;
    dq_out_en <= 1'b1;
end else begin
    dq_out <= 1'b0;
    dq_out_en <= 1'b0;
end

1.2 写时隙（写"0"和写"1"）

写"0"：主机拉低总线至少 60µs。
写"1"：主机拉低总线 1~15µs，然后释放总线。
代码实现：

bash 复制代码

if(wr_data[cnt_bit] == 0) begin
    dq_out <= 1'b0;
    dq_out_en <= (cnt_xx < 61) ? 1'b1 : 1'b0;
end else begin
    dq_out <= 1'b0;
    dq_out_en <= (cnt_xx < 1) ? 1'b1 : 1'b0;
end

1.3 读时隙

主机行为：拉低总线 1µs，然后释放并采样。
从机响应：DS18B20 在时隙内保持输出数据。
代码实现：

bash 复制代码

dq_out <= 1'b0;
dq_out_en <= (cnt_xx < 1) ? 1'b1 : 1'b0;
if(cnt_xx == 13)
    rd_data_r[cnt_bit] <= dq_in;

2. DS18B20 暂存器与温度数据格式

2.1 暂存器结构

字节	内容	说明
0-1	温度值	LSB 和 MSB
2-3	TH 和 TL	报警阈值
4	配置寄存器	分辨率设置
5-7	保留
8	CRC	校验码

2.2 温度数据格式（16位补码）

示例：0x0550 表示 +85.0°C，0xFC90 表示 -55.0°C。

数据处理 （data_process.v）：

bash 复制代码

src_data <= rd_data[15] ? (~rd_data[10:0] + 1'b1) : rd_data[10:0];

2.3 常用 ROM 命令

命令	值	功能
SKIP_ROM	0xCC	跳过 ROM 寻址
CONVERT_T	0x44	启动温度转换
READ_SCRATCH	0xBE	读取暂存器

3. 温度读取工作流程

3.1 状态机流程（`ds18b20_driver.v`）

INIT：发送复位脉冲，检测存在脉冲。
SKIP_ROM：发送 0xCC 跳过 ROM 寻址。
CONVERT_T：发送 0x44 启动温度转换。
WAIT：等待 750ms 转换完成。
再次 INIT 和 SKIP_ROM。
READ_SCRATCH：发送 0xBE 读取暂存器。
RXDATA：读取 2 字节温度数据。

3.2 数据处理流程（`data_process.v`）

将补码温度转换为原码。
将温度值乘以 625（扩大 10000 倍，便于显示小数）。
使用 binary2bcd 模块将二进制转换为 BCD 码。
输出到数码管和串口。

4. 系统框架结构

4.1 顶层模块（`sys_top.v`）

实例化各子模块：
- ds18b20_driver：驱动温度传感器。
- data_process：处理温度数据。
- uart_tx：串口发送数据。
- seg_driver：驱动数码管。

4.2 模块功能说明

模块名	功能
`ds18b20_driver`	实现单总线协议，读取温度数据
`data_process`	数据转换与处理
`binary2bcd`	二进制转 BCD 码
`uart_tx`	串口发送数据
`seg_driver`	动态数码管显示

4.3 数据流图

bash 复制代码

DS18B20 → ds18b20_driver → data_process → uart_tx → PC
                               ↓
                         seg_driver → 数码管

总结

本项目实现了一个基于 FPGA 的 DS18B20 温度测量系统，具备以下特点：

✅ 单总线协议完整实现（初始化、读、写）
✅ 温度数据补码转原码、BCD 转换
✅ 数码管实时显示温度
✅ 串口输出温度值（含小数点）
✅ 状态机控制流程清晰，代码可读性强

适用于嵌入式系统、FPGA 学习、温度监控等场景。