FPGA驱动DS18B20温度传感器

Ne0inhk

23 Mar 2026 — 9 min read

先介绍一下DS18B20

DS18B20是一款广泛应用的高精度数字温度传感器。测温范围为-55℃到+125℃,采用1-Wire通信即仅采用一根数据线与微控制器进行通信。

温度存储在ROM中，占据2byte数据，其中第11位用于判断温度正负，其他各位的权重如图所示。正数即为本身，负数为补码加一

温度转换如图，温度值的分辨率是0.0625，将对应的十进制数*0.0625即为实际的摄氏度值

7D0h的十进制是 2000，对应的温度值是 2000 * 0.0625 = 125°C

FE6F的补码 + 1 对应的十进制数是 -401，对应的温度是是 -401 * 0.0625 = -25.0625°C

几个重要的指令，本次实验使用到这几个寄存器，如果有多个设备，建议阅读DS18B20规格书

44H : 温度转换

BEH : 读取温度寄存器

4EH : 写温度寄存器

CCH : 跳过设备选址，只适用于总线上只有一个设备

单总线时序

复位时序

读写时序

实验介绍

本次实验包含三个部分:

PLL锁相环:用于实现1us时钟的分频

DS18B20驱动模块:用于控制DS18B20的温度采集

数码管显示模块

PLL锁相环（此处也可以使用分频器实现）

生成1Mhz时钟，一个时钟周期是1us

DS18B20驱动模块

输入： 1us时钟，单总线，复位

输出：数据位，符号位

驱动过程

开始 → 初始化 → 发送转换命令 → 等待转换 → 重新初始化 → 发送读取命令 → 读取温度数据 → 数据处理 → 结束

1.初始化 ：拉低500us,松开总线，等待70us,检测总线状态（如果总线有设备，总线会被拉低），总线低电平，输出存在从机脉冲flag_pulse,跳转到发送状态

2.发送状态 : 包含跳过ROM（CCh）命令和温度转换命令（44h），（低位在前，即44CC）一共需要发送16个bit。

添加bit计数器bit_cnt,写0/1都是65us，

写0，拉低63us,释放总线2us

写1，拉低15us,释放总线50us

先拉低1us,检测bit位为0/1,0的话一直拉低，1的话释放总线，等待2us,

当bit_cnt == 15,并且cnt_1us计数器等于64，进入等待状态

3.等待状态 : 等待750ms,即计数器记到750_000,进入重新初始化状态

4.重新初始化 : 完进入接收状态

5.接收状态 : 包含跳过ROM（CCH）和温度读取命令（BE）,低位在前，即BECC,

之后进入读取温度状态

6.读取温度状态 : 读数据，拉低1us总线，13us处采样电平值，每次将总线的电平值给data_temp的最高位，当读完16bit数据，判断最高位是0/1,即正负，正数不操作，复数取反码加一，符号位同样是读最高位。

7.读完之后回到初始状态

代码如下：

module ds18b20_ctrl ( input wire clk_1us, //1us的时钟 input wire sys_rst_n,//复位 inout wire dq, //单总线,用于和ds18b20交换数据, 双向 output reg sign, // 输出数据的符号 output wire [19:0] data_out //输出的温度数据 ); parameter ERROR = 3'd0; parameter INIT = 3'd1; parameter WRITE = 3'd2; parameter WAIT = 3'd3; parameter INIT_AGAIN= 3'd4; parameter READ = 3'd5; parameter GET_TEMP = 3'd6; parameter MAX_WAIT_TIME = 20'd749_999; //等待时间 parameter TIME_ONE_WRITE_READ = 7'd64; //一次读写的时间，64us parameter WRITE_DATA = 16'h44CC; parameter READ_DATA = 16'hBECC; reg [2:0] State; reg [19:0] cnt_1us; //计数器,每个时钟计数器增加一 reg flag_pulse; //用于判断初始化时有没有收到从机回应 reg [3:0] bit_cnt; // 计算读写的bit数 reg dq_en; //总线使能控制位 reg [15:0] data_temp; //直接读取的寄存器的数据 reg [19:0] data; //判断正负后的数据 reg dq_out; assign dq = (dq_en == 1'b1) ? dq_out : 1'dz; //只有总线使能位为1时,总线才受FGPA控制 assign data_out = data * 10'd625 / 4'd10; //数码管只有六位,只显示小数点后三位,点加在第四个数码管上面 //计数器 cnt_1us //清零情况 1.两种初始化状态结束 2.读写完一次 3.等待时间结束 always @(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) cnt_1us <= 1'b0; else if(((State == INIT || State == INIT_AGAIN) && (cnt_1us == 999)) || ((State == WRITE || State == READ || State == GET_TEMP) && (cnt_1us == TIME_ONE_WRITE_READ)) || (State == WAIT && cnt_1us == MAX_WAIT_TIME)) cnt_1us <= 1'b0; else cnt_1us <= cnt_1us + 1'b1; end //flag_pulse 用于判断初始化时有没有收到从机回应,即dq == 0 //flag_pulse是在1000us时清零 always @(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) flag_pulse <= 1'b0; else if((State == INIT || State == INIT_AGAIN) && cnt_1us == 20'd570 && dq == 1'b0) flag_pulse <= 1'b1; else if(cnt_1us == 999) flag_pulse <= 1'b0; else flag_pulse <= flag_pulse; end //bit_cnt 计算收发的bit位数 always @(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) bit_cnt <= 4'd0; else if((State == WRITE || State == READ || State == GET_TEMP) && cnt_1us == TIME_ONE_WRITE_READ && bit_cnt == 4'd15) //读写完一次清零 bit_cnt <= 4'd0; else if((State == WRITE || State == READ || State == GET_TEMP) && cnt_1us == TIME_ONE_WRITE_READ) bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1; else bit_cnt <= bit_cnt; end //表示状态变化 always @(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) State <= INIT; else case (State) INIT: //570us检测到从机存在(flag_pulse == 1)切换到WRITE begin if(cnt_1us == 999 && flag_pulse == 1'b1) State <= WRITE; else State <= INIT; end WRITE: //发送写指令,一共需要发送16bit数据,当全部发完进入等待状态,1bit数据用时65us begin if(bit_cnt == 4'd15 && cnt_1us == TIME_ONE_WRITE_READ) State <= WAIT; else State <= WRITE; end WAIT: begin if(cnt_1us == MAX_WAIT_TIME) State <= INIT_AGAIN; else State <= WAIT; end INIT_AGAIN: begin if(cnt_1us == 999 && flag_pulse == 1'b1) State <= READ; else State <= INIT_AGAIN; end READ: //发送读命令,一共需要发送16bit数据,当全部发完进入读取温度状态,1bit数据用时65us begin if(bit_cnt == 4'd15 && cnt_1us == TIME_ONE_WRITE_READ) State <= GET_TEMP; else State <= READ; end GET_TEMP: //读取温度,读取总线上的温度值,一共读取16bit,当全部发完进入初始化状态,1bit数据用时65us begin if(bit_cnt == 4'd15 && cnt_1us == TIME_ONE_WRITE_READ) State <= INIT; else State <= GET_TEMP; end default: State <= ERROR; endcase end //控制总线 dq,dq_en,data_temp always @(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) begin dq_en <= 1'b0; dq_out <= 1'b0; end else case (State) INIT: begin if(cnt_1us <= 20'd500) //初始化先拉低500us begin dq_en <= 1'b1; dq_out <= 1'b0; end else begin dq_en <= 1'b0; dq_out <= 1'b0; end end WRITE: begin if(cnt_1us <= 20'd1) //写总线需要先拉低1us begin dq_en <= 1'b1; dq_out <= 1'b0; end else if(cnt_1us >= 20'd62) //释放总线,恢复时间,至少1us,此处是2us begin dq_en <= 1'b0; dq_out <= 1'b0; end else if(WRITE_DATA[bit_cnt] == 1'b0) // 写0 begin dq_en <= 1'b1; dq_out <= 1'b0; end else if(WRITE_DATA[bit_cnt] == 1'b1) // 写1 begin dq_en <= 1'b0; dq_out <= 1'b0; end end WAIT: //为适应寄生电容供电 begin dq_en <= 1'b1; dq_out <= 1'b1; end INIT_AGAIN: begin if(cnt_1us <= 20'd500) //初始化先拉低500us begin dq_en <= 1'b1; dq_out <= 1'b0; end else begin dq_en <= 1'b0; dq_out <= 1'b0; end end READ: begin if(cnt_1us <= 20'd1) //写总线需要先拉低1us begin dq_en <= 1'b1; dq_out <= 1'b0; end else if(cnt_1us >= 20'd62) //释放总线,恢复时间,至少1us,此处是2us begin dq_en <= 1'b0; dq_out <= 1'b0; end else if(READ_DATA[bit_cnt] == 1'b0) // 写0 begin dq_en <= 1'b1; dq_out <= 1'b0; end else if(READ_DATA[bit_cnt] == 1'b1) // 写1 begin dq_en <= 1'b0; dq_out <= 1'b0; end end GET_TEMP: begin if(cnt_1us <= 20'd1) //写总线需要先拉低1us begin dq_en <= 1'b1; dq_out <= 1'b0; end else //1us之后就释放总线,在第13us处采样总线值 begin dq_en <= 1'b0; dq_out <= 1'b0; end end default: begin dq_en <= 1'b0; dq_out <= 1'b0; end endcase end //data_temp,data,sign 读取的数据,判断正负的数据,符号位 always @(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) begin data_temp <= 16'd0; end else if(State == GET_TEMP && cnt_1us == 20'd13) data_temp <= {dq,data_temp[15:1]}; else if(State == GET_TEMP && bit_cnt == 4'd15 && cnt_1us == TIME_ONE_WRITE_READ) begin if(data_temp[12] == 1'b1) //负数 begin data <= ~data_temp[10:0] + 1'b1; sign <= 1'b1; end else if(data_temp[12] == 1'b0) begin data <= data_temp[10:0]; sign <= 1'b0; end end end endmodule

数码管显示模块此处不介绍

绑定引脚：