數字溫濕度計設計

• 任務：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成數字溫濕度計設計并觀察調試結果
• 要求：驅動底板上的溫濕度傳感器SHT-20測量空氣中的溫度和濕度，將溫濕度信息顯示在8位掃描式數碼管上。
• 解析：通過FPGA編程驅動I2C接口溫濕度傳感器SHT-20，獲取溫濕度碼值信息，將兩種碼值信息經過運算轉換成物理溫度濕度數據，然后經過BCD轉碼處理并顯示到掃描式數碼管上。

前面的章節中我們學習了掃描式數碼管模塊和BCD轉碼模塊的工作原理及驅動方法，也對I2C總線協議及相關知識，本實驗主要對I2C總線驅動方法加以練習，同時熟悉FPGA設計中常用運算方法，最終完成數字溫濕度計總體設計。

• 復習I2C總線工作原理及通信協議
• 練習I2C接口驅動設計方法，完成溫濕度傳感器SHT-20驅動設計
• 完成數字溫濕度計總體設計

根據前面的實驗解析我們可以得知，該設計可以拆分成兩個功能模塊實現，

• SHT20Driver：溫濕度傳感器SHT-20芯片I2C總線通信驅動模塊。 * Calculate：完成溫濕度碼值到數碼管顯示之間的運算、轉碼和顯示控制。 * bintobcd：將二進制數據轉換成BCD碼的方法。。 * Segmentscan：通過驅動掃描式數碼管將溫濕度數據顯示出來。

SHT-20是一款集成溫度和濕度感測于一體的傳感器芯片，采用3mm x 3mm貼片DFN封裝，數字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，默認狀態溫度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，默認狀態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，溫度和濕度的轉換時間也是不同的，默認狀態溫度和濕度最大轉換時間分別為85ms和29ms。

溫度和濕度測量范圍如下：

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字集成電路-全部放在單 CMOSens?芯片上。這在精度和穩定性方面, 以及功耗最小的情況下, 都能產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) 進行更改, 并且校驗和有助于提高通信的可靠性。

智能接近系統設計實驗中我們已經講述學習過I2C總線驅動的設計，本實驗可以上原來的基礎上調整，首先來了解SHT-20時序中的參數要點。

通過SHT-20時序參數了解，SHT-20支持I2C通信400KHz快速模式同時兼容100KHz的標準模式，還有兩種模式下時序中的各種時間參數，所以通信速度不需要調整。

• 普通列表項目分頻得到400KHz的時鐘，程序實現同智能接近系統設計實驗。

I2C時序基本單元（啟動、停止、發送、接收、發應答、讀應答）協議里統一的，所以所以基本單元狀態的設計也是不需要調整的。

• 啟動時序狀態設計程序實現同智能接近系統設計實驗。
• 發送單元和讀應答單元合并，時序狀態設計程序實現同智能接近系統設計實驗。
• 接收單元和寫應答單元合并，時序狀態設計程序實現同智能接近系統設計實驗。
• 停止時序狀態設計程序實現同智能接近系統設計實驗。

SHT-20驅動的流程，手冊上看到SHT-20芯片有很多指令，指令列表如下：

本實驗涉及軟件復位、溫度測量和濕度測量三個操作分別查看其時序流程。

軟件復位

軟件復位操作時序流程如下：

我們將這種操作設計成一個一個狀態，程序實現如下：

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

溫濕度測量

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

根據問濕度測量的時序流程，我們分為兩部分，寫指令部分和讀數據部分，寫指令部分比復位操作時序流程多了20us的等待，且20us等待不是必須的，可以直接使用MODE1狀態完成，讀數據部分如果沒有測量完成尋址時就會不應答，如果測量完成時序流程程序實現如下：

MODE2:begin //兩次讀操作
        if(cnt_mode2 >= 4'd7) cnt_mode2 <= 4'd0;    //對START中的子狀態執行控制cnt_start
        else cnt_mode2 <= cnt_mode2 + 1'b1;
        state_back <= MODE2;
        case(cnt_mode2)
            4'd0:   begin state <= START; end   //I2C通信時序中的START
            4'd1:   begin data_wr <= (dev_addr<<1)|8'h01; state <= WRITE; end//設備地址
            4'd2:   begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀寄存器數據
            4'd3:   begin dat_h <= data_r; end
            4'd4:   begin ack <= NACK; state <= READ; end   //讀寄存器數據
            4'd5:   begin dat_l <= data_r; end
            4'd6:   begin state <= STOP; end    //I2C通信時序中的STOP
            4'd7:   begin state <= MAIN; end    //返回MAIN
            default: state <= IDLE; //如果程序失控，進入IDLE自復位狀態
        endcase
    end

最后我們編程控制狀態機按照驅動例程代碼中流程運行，程序實現如下：

MAIN:begin
        if(cnt_main >= 4'd9) cnt_main <= 4'd2;      //寫完控制指令后循環讀數據
        else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;   
        case(cnt_main)
            //軟件復位
            4'd0:   begin dev_addr <= 7'h40; reg_addr <= 8'hfe; state <= MODE1; end 
            4'd1:   begin num_delay <= 24'd6000; state <= DELAY; end //復位時間，15ms
            //測量溫度
            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  //讀取數據
            //測量濕度
            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  //讀取數據
            default: state <= IDLE; //如果程序失控，進入IDLE自復位狀態
        endcase
    end

SHT-20驅動模塊得到的是溫度和濕度的編碼值，想要得到℃和%RH的溫度和濕度的數據還需要運算，運算后的數據是二進制數，想要顯示在數碼管上還需要BCD轉碼。先考慮運算：

這里我們以溫度的運算為例，FPGA不擅長小數的運算，我們可以將小數運算轉換成整數運算處理，如下：

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

程序實現如下：

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);//絕對值
wire [15:0] T_data_bin = c[15:0];

上面程序中沒有除以100的運算，沒有集成專用除法器的FPGA實現除法運算非常麻煩，需要大量的邏輯資源且性能不佳，通常我們不在FPGA中直接做除法運算，上面程序中兩個除法。

⑴除以2^16可以通過右移16位方式解決。

⑵除以100在二進制數中不好解決，而在BCD碼的十進制數據很好處理，相當于小數點左移兩位（十進制位），所以等完成BCD碼后再來處理。

BCD轉碼在前面電壓器實驗中介紹過，這里直接例化，程序實現如下：

//進行BCD轉碼處理
//小數點在BCD碼基礎上左移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]個位,[7:0]兩個小數位
wire [19:0] T_data_bcd;
bin_to_bcd u1
(
.rst_n              (rst_n      ),  //系統復位，低有效
.bin_code           (T_data_bin ),  //需要進行BCD轉碼的二進制數據
.bcd_code           (T_data_bcd )   //轉碼后的BCD碼型數據輸出
); 
//4位數碼管用于溫度顯示,保留1位小數//若溫度為負，將T_data_bcd[19:16]百位數據用數字A替換，同時把數碼管A的字庫顯示負號
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;  //小數點顯示使能

設計到這里，將4個BCD碼顯示在4個數碼管上，就可以實現溫度的顯示了，另外還可以增加高位消零的設計，讓數碼管顯示更加符合人的習慣

//數據顯示使能，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;

綜合后的設計框圖如下：

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，設備型號選擇，EDA工具選擇）；
3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，鍵入設計代碼并保存；
4. 設計綜合：雙擊Tasks窗口頁面下的Analysis & Synthesis對代碼進行綜合；
5. 管腳約束：Assignments → Assignment Editor，根據項目需求分配管腳；
6. 設計編譯：雙擊Tasks窗口頁面下的Compile Design對設計進行整體編譯并生成配置文件；
7. 程序燒錄：點擊Tools → Programmer打開配置工具，Program進行下載；
8. 觀察設計運行結果。

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