如何设计基于CPLD的温度计（原理和代码）？
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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
1.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。
2.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]。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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];[!--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. 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;
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。
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