數(shù)字溫濕度計(jì)設(shè)計(jì)

• 任務(wù)：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成數(shù)字溫濕度計(jì)設(shè)計(jì)并觀察調(diào)試結(jié)果
• 要求：驅(qū)動(dòng)底板上的溫濕度傳感器SHT-20測(cè)量空氣中的溫度和濕度，將溫濕度信息顯示在8位掃描式數(shù)碼管上。
• 解析：通過FPGA編程驅(qū)動(dòng)I2C接口溫濕度傳感器SHT-20，獲取溫濕度碼值信息，將兩種碼值信息經(jīng)過運(yùn)算轉(zhuǎn)換成物理溫度濕度數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過BCD轉(zhuǎn)碼處理并顯示到掃描式數(shù)碼管上。

根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)解析我們可以得知，該設(shè)計(jì)可以拆分成兩個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)，

• SHT20Driver：溫濕度傳感器SHT-20芯片I2C總線通信驅(qū)動(dòng)模塊。 * Calculate：完成溫濕度碼值到數(shù)碼管顯示之間的運(yùn)算、轉(zhuǎn)碼和顯示控制。 * bintobcd：將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCD碼的方法。。 * Segmentscan：通過驅(qū)動(dòng)掃描式數(shù)碼管將溫濕度數(shù)據(jù)顯示出來。

SHT-20是一款集成溫度和濕度感測(cè)于一體的傳感器芯片，采用3mm x 3mm貼片DFN封裝，數(shù)字I2C總線接口，管腳功能描述如下：

SHT-20芯片典型電路連接如下：

SHT-20芯片可以配置不同的分辨率模式，User Register中的bit0和bit7控制分辨率模式選擇，默認(rèn)狀態(tài)溫度T和濕度RH分別采用14bit和12bit模式

不同的分辨率模式下，溫度和濕度分辨率不同，默認(rèn)狀態(tài)溫度和濕度分辨率分別為0.01℃和0.04%RH。

不同的分辨率模式下，溫度和濕度的轉(zhuǎn)換時(shí)間也是不同的，默認(rèn)狀態(tài)溫度和濕度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為85ms和29ms。

溫度和濕度測(cè)量范圍如下：

STEP BaseBoard V3.0底板上的溫濕度傳感器SHT-20模塊電路圖如下（上拉電阻未顯示）：

上圖為溫濕度傳感器SHT-20模塊電路，與FPGA硬件接口有I2C總線（SCL、SDA），SHT2x 傳感器包含電容式濕度傳感器、帶隙溫度傳感器和專用的模擬和數(shù)字集成電路-全部放在單 CMOSens?芯片上。這在精度和穩(wěn)定性方面, 以及功耗最小的情況下, 都能產(chǎn)生無與倫比的傳感器性能， SHT20的分辨率可以通過命令 (RH/T 的8/12 位到12/14 位) 進(jìn)行更改, 并且校驗(yàn)和有助于提高通信的可靠性。

智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中我們已經(jīng)講述學(xué)習(xí)過I2C總線驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)可以上原來的基礎(chǔ)上調(diào)整，首先來了解SHT-20時(shí)序中的參數(shù)要點(diǎn)。

通過SHT-20時(shí)序參數(shù)了解，SHT-20支持I2C通信400KHz快速模式同時(shí)兼容100KHz的標(biāo)準(zhǔn)模式，還有兩種模式下時(shí)序中的各種時(shí)間參數(shù)，所以通信速度不需要調(diào)整。

• 普通列表項(xiàng)目分頻得到400KHz的時(shí)鐘，程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

I2C時(shí)序基本單元（啟動(dòng)、停止、發(fā)送、接收、發(fā)應(yīng)答、讀應(yīng)答）協(xié)議里統(tǒng)一的，所以所以基本單元狀態(tài)的設(shè)計(jì)也是不需要調(diào)整的。

• 啟動(dòng)時(shí)序狀態(tài)設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
• 發(fā)送單元和讀應(yīng)答單元合并，時(shí)序狀態(tài)設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
• 接收單元和寫應(yīng)答單元合并，時(shí)序狀態(tài)設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
• 停止時(shí)序狀態(tài)設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

SHT-20驅(qū)動(dòng)的流程，手冊(cè)上看到SHT-20芯片有很多指令，指令列表如下：

本實(shí)驗(yàn)涉及軟件復(fù)位、溫度測(cè)量和濕度測(cè)量三個(gè)操作分別查看其時(shí)序流程。

軟件復(fù)位

軟件復(fù)位操作時(shí)序流程如下：

我們將這種操作設(shè)計(jì)成一個(gè)一個(gè)狀態(tài)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

MODE1:begin //單次寫操作
        if(cnt_mode1 >= 4'd4) cnt_mode1 <= 1'b0;    //對(duì)START中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_start
        else cnt_mode1 <= cnt_mode1 + 1'b1;
        state_back <= MODE1;
        case(cnt_mode1)
            4'd0:   begin state <= START; end   //I2C通信時(shí)序中的START
            4'd1:   begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE; end   //設(shè)備地址
            4'd2:   begin data_wr <= reg_addr; state <= WRITE; end  //寄存器地址
            4'd3:   begin state <= STOP; end    //I2C通信時(shí)序中的STOP
            4'd4:   begin state <= MAIN; end    //返回MAIN
            default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
        endcase
    end

溫濕度測(cè)量

溫度測(cè)量分為兩種模式：hold master和no hold master，兩種模式都可用但時(shí)序不同，本實(shí)驗(yàn)我們使用no hold master，濕度測(cè)量流程同溫度測(cè)量流程，只是指令不一樣。其操作時(shí)序流程如下：

根據(jù)問濕度測(cè)量的時(shí)序流程，我們分為兩部分，寫指令部分和讀數(shù)據(jù)部分，寫指令部分比復(fù)位操作時(shí)序流程多了20us的等待，且20us等待不是必須的，可以直接使用MODE1狀態(tài)完成，讀數(shù)據(jù)部分如果沒有測(cè)量完成尋址時(shí)就會(huì)不應(yīng)答，如果測(cè)量完成時(shí)序流程程序?qū)崿F(xiàn)如下：

MODE2:begin //兩次讀操作
        if(cnt_mode2 >= 4'd7) cnt_mode2 <= 4'd0;    //對(duì)START中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_start
        else cnt_mode2 <= cnt_mode2 + 1'b1;
        state_back <= MODE2;
        case(cnt_mode2)
            4'd0:   begin state <= START; end   //I2C通信時(shí)序中的START
            4'd1:   begin data_wr <= (dev_addr<<1)|8'h01; state <= WRITE; end//設(shè)備地址
            4'd2:   begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀寄存器數(shù)據(jù)
            4'd3:   begin dat_h <= data_r; end
            4'd4:   begin ack <= NACK; state <= READ; end   //讀寄存器數(shù)據(jù)
            4'd5:   begin dat_l <= data_r; end
            4'd6:   begin state <= STOP; end    //I2C通信時(shí)序中的STOP
            4'd7:   begin state <= MAIN; end    //返回MAIN
            default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
        endcase
    end

最后我們編程控制狀態(tài)機(jī)按照驅(qū)動(dòng)例程代碼中流程運(yùn)行，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

MAIN:begin
        if(cnt_main >= 4'd9) cnt_main <= 4'd2;      //寫完控制指令后循環(huán)讀數(shù)據(jù)
        else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;   
        case(cnt_main)
            //軟件復(fù)位
            4'd0:   begin dev_addr <= 7'h40; reg_addr <= 8'hfe; state <= MODE1; end 
            4'd1:   begin num_delay <= 24'd6000; state <= DELAY; end //復(fù)位時(shí)間，15ms
            //測(cè)量溫度
            4'd2:   begin dev_addr <= 7'h40; reg_addr <= 8'hf3; state <= MODE1; end 
            4'd3:   begin num_delay <= 24'd34000; state <= DELAY; end //溫度轉(zhuǎn)換，85ms 
            4'd4:   begin dev_addr <= 7'h40; state <= MODE2; end    //讀取配置
            4'd5:   begin T_code <= {dat_h,dat_l}; end  //讀取數(shù)據(jù)
            //測(cè)量濕度
            4'd6:   begin dev_addr <= 7'h40; reg_addr <= 8'hf5; state <= MODE1; end 
            4'd7:   begin num_delay <= 24'd12000; state <= DELAY; end //濕度轉(zhuǎn)換，30ms
            4'd8:   begin dev_addr <= 7'h40; state <= MODE2; end    //讀取配置
            4'd9:   begin H_code <= {dat_h,dat_l}; end  //讀取數(shù)據(jù)
            default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
        endcase
    end

SHT-20驅(qū)動(dòng)模塊得到的是溫度和濕度的編碼值，想要得到℃和%RH的溫度和濕度的數(shù)據(jù)還需要運(yùn)算，運(yùn)算后的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)，想要顯示在數(shù)碼管上還需要BCD轉(zhuǎn)碼。先考慮運(yùn)算：

這里我們以溫度的運(yùn)算為例，F(xiàn)PGA不擅長(zhǎng)小數(shù)的運(yùn)算，我們可以將小數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成整數(shù)運(yùn)算處理，如下：

T = -46.85 + 175.72 * Tcode / 2^16 = (-4685 + 17572 * Tcode / 2^16) / 100

程序?qū)崿F(xiàn)如下：

wire [31:0] a = T_code * 16'd17572;
wire [31:0] b = a >> 16; //除以2^16取商
wire [31:0] c = (b>=32'd4685)?(b - 32'd4685):(32'd4685 - b);//絕對(duì)值
wire [15:0] T_data_bin = c[15:0];

上面程序中沒有除以100的運(yùn)算，沒有集成專用除法器的FPGA實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算非常麻煩，需要大量的邏輯資源且性能不佳，通常我們不在FPGA中直接做除法運(yùn)算，上面程序中兩個(gè)除法。

⑴除以2^16可以通過右移16位方式解決。

⑵除以100在二進(jìn)制數(shù)中不好解決，而在BCD碼的十進(jìn)制數(shù)據(jù)很好處理，相當(dāng)于小數(shù)點(diǎn)左移兩位（十進(jìn)制位），所以等完成BCD碼后再來處理。

BCD轉(zhuǎn)碼在前面電壓器實(shí)驗(yàn)中介紹過，這里直接例化，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

//進(jìn)行BCD轉(zhuǎn)碼處理
//小數(shù)點(diǎn)在BCD碼基礎(chǔ)上左移2位，完成除以100的操作
//移位后T_data_bcd[19:16]百位,[15:12]十位,[11:8]個(gè)位,[7:0]兩個(gè)小數(shù)位
wire [19:0] T_data_bcd;
bin_to_bcd u1
(
.rst_n              (rst_n      ),  //系統(tǒng)復(fù)位，低有效
.bin_code           (T_data_bin ),  //需要進(jìn)行BCD轉(zhuǎn)碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)
.bcd_code           (T_data_bcd )   //轉(zhuǎn)碼后的BCD碼型數(shù)據(jù)輸出
); 
//4位數(shù)碼管用于溫度顯示,保留1位小數(shù)//若溫度為負(fù)，將T_data_bcd[19:16]百位數(shù)據(jù)用數(shù)字A替換，同時(shí)把數(shù)碼管A的字庫顯示負(fù)號(hào)
assign T_data = (b>=32'd4685)? T_data_bcd[19:4]:{4'ha,T_data_bcd[15:4]};
assign dot_en[7:4] = 4'b0010;  //小數(shù)點(diǎn)顯示使能

設(shè)計(jì)到這里，將4個(gè)BCD碼顯示在4個(gè)數(shù)碼管上，就可以實(shí)現(xiàn)溫度的顯示了，另外還可以增加高位消零的設(shè)計(jì)，讓數(shù)碼管顯示更加符合人的習(xí)慣

//數(shù)據(jù)顯示使能，高位消零
assign dat_en[7] = |T_data[15:12]; //自或
assign dat_en[6] = (b>=32'd4685)?(|T_data[15:8]):(|T_data[11:8]);
assign dat_en[5:4] = 2'b11;

綜合后的設(shè)計(jì)框圖如下：

1. 雙擊打開Quartus Prime工具軟件；
2. 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目錄選擇，設(shè)備型號(hào)選擇，EDA工具選擇）；
3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，鍵入設(shè)計(jì)代碼并保存；
4. 設(shè)計(jì)綜合：雙擊Tasks窗口頁面下的Analysis & Synthesis對(duì)代碼進(jìn)行綜合；
5. 管腳約束：Assignments → Assignment Editor，根據(jù)項(xiàng)目需求分配管腳；
6. 設(shè)計(jì)編譯：雙擊Tasks窗口頁面下的Compile Design對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行整體編譯并生成配置文件；
7. 程序燒錄：點(diǎn)擊Tools → Programmer打開配置工具，Program進(jìn)行下載；
8. 觀察設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果。

將程序加載到FPGA，觀察數(shù)碼管顯示，左邊4位數(shù)碼管顯示溫度，右邊4位數(shù)碼管顯示濕度，用手接觸溫濕度傳感器，觀察顯示變化。