项目记录 / 基于FPGA实现数字温度计
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1、设计目标
1）温度测量范围0~125℃；
2）led数码管显示温度；
3）存在报警温度（可修改）。
2、硬件部分
主要由三个部分构成：
1）温度采集模块；(DS18B20)
2）数据处理模块；(FPGA)
3）温度显示模块。(LED数码管）
框图：
DS18B20
1. 特性
- 主要由七部分组成：高速暂存器、8位CRC发生器、64位ROM、寄生电源、温度传感器、高温触发器TH和低温触发器TL;
- 64位ROM是温度敏感元件，其中包含了DS18B20唯一的***；
- 单总线：输入输出共用，有严格的读写时序要求；
- 3个引脚：VDD、GND、DQ；
- 测量结果以9~12位数字量方式串行传送。
2. 温度数据输出
说明：本次试验显示忽略了小数位，只取整数位，那么只取data[10:4]这7位, 便是温度的整数值。
3、程序设计
分为四个模块：
1）DS18B20驱动模块(主程序);
2）分频模块；
3）数制转换模块(含报警)；
4）显示模块。
3.1 DS18B20驱动模块
DS18B20驱动模块是总程序，调用三个子程序，从而达到温度的显示。DS18B20采用一根 I/O 总线读写数据，因此它对读写数据位有严格的时序要求。DS18B20 遵循相应的通信协议从而保证数据传输的正确性和完整性。该通信协议定义了多种信号时序 : 初始化时序、写时序、读时序。 从分频模块的clk_lm输出1MHz到通信模块的clk作为时钟信号；根据 DS18B20所遵循的初始化时序、读时序、写时序等通信协议将程序完成； 将获取的12位的温度信号传送给下一个模块。
3.2 分频模块
针对50MHz的时钟 频率进行分频产生1MHz频率控制信号和1KHz频率扫描信号。
1. 端口说明
clk：输入50M时钟；
rst：复位信号；
clk_lk：分频后输出的时钟
clk_lm：分频后输出的时钟。
2. 原理分析
系统时钟信号进入分频模块clk引脚，经过分频后得到信号clk_lm 和clk_lk输出。
输出的clk_lk的频率信号用于扫描数码管做动态显示，使人不会看到数码管的闪烁感；输岀的clk_lm的频率信号用于产生1us时钟，用于控制传感器读写时序。
3.3 数制转换模块
利用数制转换模块将输入的16位二进制的温度数据转换为BCD码。
1. 端口说明
data[15..0]：输入16位数据
bcd_out[11..0]：输出 12 位数据
led[2..0]：输出3位led灯电平数据
2. 原理分析
data[15..0]表示从DS18B20获取的16位数据，前4位表示温度的正负号，后12位表示数据，本次试验显示忽略了小数位和负号， 只取整数位，那么只取data[10:4]这7位，便是温度的整数值。
bcd_out[11..0]的每四位储存一个数据，一共有3个数据，这三个数据分别代表着温度的个位、十位、百位，便于在下一个模块中将其转换成十进制显示出来。
led[2..0]控制FPGA板子上的三个led灯，当温度数据超过所设定的范围时，送高电平，三个灯亮，实现报警功能。
3.4 显示模块
数码管采用动态显示(共阳极)；从分频模块的clk_lk输出1KHz到该模块作为时钟扫描信号。
1. 端口说明
clk：输入clk_lk的时钟信号；
rst：复位信号
data[11..0]：进制转换岀的12位数据
seg[7..0]：段选信号；
en[3..0]：位选信号。
2. 原理分析
本次设计釆集的温度忽略了百位，所以只需要显示温度的十位跟个位就可以了，调用两个数码管，其中一个数码管当作十位，另一个数码管则是个位，当十位的数码译码为“00100101 ”时，则说明十位数码管将显示数值“2”，当个位的数码管译码为“00001101 ”时，则说明个位显示“3”。 因此个位和十位都是按照八段译码的原则将0〜9之间的数字显示出来。
4、仿真及测量效果
4.1 数制转换模块仿真
报警上下限设为100℃和10℃：
报警上下限设为30℃和10℃：
说明：由仿真结果可知，数制转换模块能成功将输入的数据转化为bcd码；同时可以看出，温度上限分别为100℃和30℃时，对应输入温度数据33，led分别为000和111，报警功能正常实现。
4.2 温度测量效果
说明：测量结果符合预期，数码管能正常显示温度数据，超过温度上限时led灯亮，表示报警。