如何設(shè)計基于CPLD的溫度計（原理和代碼）？
1. 概述
本設(shè)計基于CPLD設(shè)計一款數(shù)字溫度計，溫度傳感器使用DS18B20，CPLD采用EPM240T100C5。DS18B20 具有體積小，硬件開銷低(只需要一根信號線)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。EPM240T00C5具有延時低、功耗小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
2. 硬件簡介
硬件平臺采用BigTree的CPLD開發(fā)板，有如下硬件資源：
CPLD EPM240T100C5;
USB 轉(zhuǎn)串口(省去 USB 轉(zhuǎn)串口線);
LED;
有源蜂鳴器;
DS18B20 溫度傳感器;
四位共陽極數(shù)碼管;
按鍵;
GPIO 拓展接口(18 個通用 IO)。
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3. 系統(tǒng)框圖
溫度采集模塊：負(fù)責(zé)初始化、讀寫DS18B20溫度傳感器;
十六進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制模塊：將DS18B20的溫度輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù);
數(shù)碼管顯示模塊：將轉(zhuǎn)換好的十進(jìn)制數(shù)據(jù)動態(tài)顯示在數(shù)碼管上。
4. DS18B20 工作原理
DS18B20 引腳功能
GND： 地信號
DQ： 數(shù)據(jù)信號線
VDD： 電源
存儲資源
ROM： 只讀存儲器，用于存放 DS18B20 編碼，一共 64 位，第一個 8 位是 1-wire 家族號(28h)，第二個 48 位是唯一的序列號。最后一個 8 位是前 56 位的 CRC 校驗(yàn)碼。
RAM： 數(shù)據(jù)暫存器，共 9 個字節(jié)，第 1、 2 字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)值。
EEPROM： 用于存放長期需要保持的數(shù)據(jù)，如上下限溫度報警值等。
設(shè)備操作
1.初始化
-> 數(shù)據(jù)線拉高 1;
-> 短延時;
-> 數(shù)據(jù)線拉底 0;
-> 延時 750ms;
-> 數(shù)據(jù)線拉高 1;
-> 延時等待(如果初始化成功則在 15～60 毫秒內(nèi)產(chǎn)生一個由 DS18B20 返回的低電平);
->若讀到數(shù)據(jù)線上的低電平，再做延時(第五步算起，最少 480ms);
-> 數(shù)據(jù)線拉高，結(jié)束。
2.發(fā)送 ROM 指令
ROM 指令共 5 條，每一個工作周期只能發(fā)一條，分別為：讀 ROM、匹配 ROM、跳躍ROM、查找 ROM 和報警查找。一般只有單個 18B20 芯片，可使用跳過 ROM 指令[CCH]。
3.發(fā)送存儲器操作指令
在 ROM 指令后，緊接著發(fā)送存儲器操作指令，分別為：
? 溫度轉(zhuǎn)換 44H：
啟動 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，將溫度值放入 RAM 的第 1、 2 個地址。
? 讀暫存器 BEH
從 RAM 中讀數(shù)據(jù)，讀地址從 0 開始到 9，可只讀前兩個字節(jié)。
? 寫暫存器 4EH
將數(shù)據(jù)寫入暫存器的 TH、 TL 字節(jié)。
? 復(fù)制暫存器 48H
把暫存器的 TH、 TL 字節(jié)寫到 E2RAM 中。
? 重新調(diào) E2RAM B8H
把 E2RAM 中的 TH、 TL 字節(jié)寫到暫存器 TH、 TL 字節(jié) 。
? 讀電源供電方式 B4H
啟動 DS18B20 發(fā)送電源供電方式的信號給主控。
4.讀當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)
需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復(fù)位，跳過 ROM 指令，執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲器指令等待 500us 溫度轉(zhuǎn)換時間。緊接著執(zhí)行第二個周期為復(fù)位，跳過 ROM 指令，執(zhí)行讀 RAM 的存
儲器，讀數(shù)據(jù)。
5.寫操作
寫時隙分為寫“0”和寫“1”， 時序如圖，在寫數(shù)據(jù)時間間隙的前 15us 總線需要是被主控拉低，然后則將是芯片對總線數(shù)據(jù)的采樣時間，采樣時間在 15-60us，采樣時間內(nèi)，如果主控將 總線拉高則表示寫 1，如果主控將總線拉低則表示寫 0。每一位的發(fā)送都應(yīng)該有一個至少15us 的低電平起始位隨后的數(shù)據(jù) 0 或 1 應(yīng)該在 45us 內(nèi)完成。整個位的發(fā)送時間應(yīng)該保持 在60-120us，否則不能保證通信的正常。
6.讀操作
讀時隙時也是必須先由主控產(chǎn)生至少 1us 的低電平，表示讀時間的起始。隨后在總線被釋放后的 15us 中 DS18B20 會發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位。注意必須要在讀間隙開始的 15us 內(nèi)讀數(shù)據(jù)為才 可以保持通信的正確。通信時，字節(jié)的讀或?qū)懯菑母呶婚_始的，即 A7 到 A0?？刂破麽尫趴偩€，也相當(dāng)于將總線置 1。
更多關(guān)于DS18B20的資料可以查看其應(yīng)用手冊。
5. 進(jìn)制轉(zhuǎn)換(Hex2Dec)
由于 DS18B20 輸出的是十六進(jìn)制數(shù)據(jù)， 所以需要做進(jìn)制轉(zhuǎn)換為 10 進(jìn)制輸出。這里由于CPLD 資源問題，故只設(shè)計溫度顯示范圍為： 0～47 度，最小分辨率為 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];[!--empirenews.page--]
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
endcase
assign temperature = data_out[7:0]
# 6. 數(shù)碼管顯示
本設(shè)計采用4位共陽極數(shù)碼管作為溫度顯示模塊，驅(qū)動代碼如下：
//-----------------數(shù)碼管顯示-------------------
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;
endcase
always @ (*)
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. 最終結(jié)果
下圖為實(shí)測的溫度結(jié)果，比實(shí)際溫度高出2-3度。由于芯片出廠的誤差(沒有對0校準(zhǔn))，加上板卡本身的散熱，使得溫度偏高2～3度。但不影響我們學(xué)習(xí)使用。
下載文檔
