FPGA开发实用教程-基于Xilinx和Verilog HDL（微课版） 课件 【ch11】SHT20温、湿度测量实验

SHT20温/湿度测量实验卓越工程师培养系列FPGA开发实用教程——基于Xilinx和VerilogHDL第十一章01实验内容基于FPGA高级开发系统设计一个SHT20温/湿度测量实验，通过学习SHT20温/湿度传感器通信和信号转换原理，结合七段数码管实验，将采集到的温度值和湿度值显示在七段数码管上。实验内容02实验原理实验原理FPGA高级开发系统上XC6SLX16芯片的C8引脚连接SHT20芯片的SCL引脚，为时钟引脚；XC6SLX16芯片的D8引脚连接SHT20芯片的SDA引脚，为数据引脚。SDA和SCL都有10kΩ的上拉电阻，空闲状态时为高电平，如图11-1所示。SHT20温/湿度电路原理图实验原理SHT20传感器引脚图如图11-2所示，表11-1是对SHT20传感器引脚的描述，共有6个引脚。引脚编号引脚名称描述1SDA串行数据，双向2VSS地3，4NC不连接5VDD供电电压6SCL串行时钟，双向表11-1SHT20传感器SHT20传感器釆用标准的I2C协议进行通信。将SHT20上电启动后，最多需要15ms达到空闲状态（此时SCL为高电平），即做好了接收主机发送命令的准备。实验原理在启动传输后，首字节包括7位SHT20

I2C器件地址（1000000）和1个SDA方向位（读R，1；写W，0）。在第8个SCL时钟下降沿之后，通过拉低SDA引脚（ACK位）表示传感器接收数据正常。在发出测量命令之后（11110011代表温度测量，11110101代表相对湿度测量），FPGA必须等待测量完成。SHT20传感器通信FPGA与传感器之间的通信有两种不同的工作方式：主机模式和非主机模式。在第一种工作方式下，在测量的过程中，SCL线被封锁（由传感器进行控制）。实验原理在第二种工作方式下，当传感器在执行测量任务时，SCL线仍然保持开放状态，可进行其他通信。非主机模式允许当传感器进行测量时在总线上处理其他I2C总线通信任务。在主机模式下时，SHT20将SCL拉低，强制主机进入等待状态。通过释放SCL线，表示传感器内部处理工作结束，进而可以继续数据传送。在非主机模式下，FPGA需要对传感器状态进行查询。此过程通过发送一个启动传输时序和之后发送的I2C首字节（10000001）来完成。实验原理如果内部处理工作完成，FPGA查询到传感器发出的确认信号，则相关数据可以通过FPGA进行读取。如果测量处理工作没有完成，传感器无确认位（ACK）输出，则此时必须重新发送启动传输时序。无论哪种传输模式，由于测量的最大分辨率为14位，Data（LSB）之后的2位Stat（bit43和bit44）用来传输相关的状态信息。Stat中的bitl位表示测量的类型（温度为0，湿度为1），bit0位表示当前没有赋值。实验原理下面以测量湿度为例介绍数据的传输过程。在启动传输后，主机发送从机Fc地址和写命令（10000000）。收到从机应答后，主机发送测量湿度命令（11110101）。收到从机应答后，主机等待测量完成。再次启动传输，主机发送从机I2C地址和读命令（10000001），若在从机未测量完成期间主机就发送数据，那么从机会不应答，继续测量，直到测量完成，主机再次发送数据，从机才会响应命令。这时主机可以读取从机测量到的数据。先读取高字节数据，读取完成后主机发送应答信号；再读取低字节数据并发送应答信号；然后读取校验和数据，并且发送无应答信号；最后发送停止信号，数据传输结束。传感器内部设置的默认分辨率为相对湿度12位和温度14位。SDA的输出数据被转换为2字节的数据包，高字节MSB在前（左对齐），每字节后面都跟随1个应答位。而LSB的最后2位为2个状态位Stat，因此LSB的后2位在进行物理计算前必须置0。实验原理如果主机读取从机数据为0110001101010010，在进行物理换算时，后两位状态位置0，那么所传输的16位相对湿度信号为SRH=0110001101010000=25424。SHT20信号转换实验原理1.相对湿度转换无论基于哪种分辨率，相对湿度RH都可以根据SDA输出的相对湿度信号SRH，通过以下公式计算获得（结果以％RH表示）。2.温度转换无论基于哪种分辨率，温度T都可以通过温度输出信号ST计算得到（结果以℃表示）。实验原理SHT20温/湿度测量实验电路有20个引脚，引脚的名称、类型、约束及描述如表所示。引脚名称引脚类型引脚约束引脚描述clk_iinV10时钟输入，50MHzrst_n_iinN7复位输入，低电平复位sht2x_sda_ioinoutD8连接SHT20芯片SDA引脚sht2x_scl_ooutC8连接SHT20芯片SCL引脚seg7_sel_o[7:0]outJ6，J3，H5，H3，H4，G3，G6，F3输出，控制七段数码管位选引脚seg7_seg_o[7:0]outGil，L15，K6，K15，K14,K13，L16，J7输出，控制七段数码管数据引脚SHT20温/湿度测量实验内部电路图SHT20温/湿度测量实验内部电路图如图11-5所示。实验原理u_clk_gen_400hz模块用于将50MHz的系统时钟分频为400Hz的内部时钟，作为u_sht2x模块的时钟输入，u_sht2x模块用于从传感器获取温度和湿度信号。实验原理电路图还包括用于计算温度和湿度的模块u_calc_temp和u_calc_humi及获取温度和湿度值高低位的模块u_temp_calc_mod、u_temp_calc_rem>u_humi_calc_mod和u_humi_calc_rem。其中，文件calc_mod.v和calc_rem.v在本书配套资料包的Material文件夹中己有完整代码。03实验步骤步骤1：复制工程文件夹并添加Verilog文件。实验步骤将“D:\Spartan6FPGATest\Material”目录中的expl0_sht2x文件夹复制到“D:\Spartan6FPGATest\Product”目录中。然后，双击运行“D:\Spartan6FPGATest\Product\explO_sht2x\project”目录中的sht2x.xise文件打开工程，该工程的顶层文件为sht2x_top.v。步骤2：完善sht2x.v文件将程序清单11-1中的相应代码输入sht2x.v文件的参数定义、信号定义、模块例化和电路实现部分，并参考2.3节步骤5检查语法，下面对关键语句进行解释。实验步骤第43至60行代码：实现的是每隔Is刷新一次测量数据计数器。第62至130行代码：实现SHT2X读写控制状态机。实验步骤实验步骤实验步骤步骤3：完善calc_humi.v文件将程序清单11-2中的相关代码输入calc_humi.v文件的参数定义、信号定义和电路实现部分，并参考2.3节步骤5检查语法。实验步骤第16至22行代码的作用是根据相对湿度转换公式，得到相对湿度的输出结果data_o。其中，第16行代码是将后两位状态位置0，计算出进行物理换算后的相对湿度信号s_rh。第17行代码是对s_rh进行乘以125的操作；第19行代码则是通过舍去s_acc低16位的方法实现除以216的效果。实验步骤步骤4：完善calcjemp.v文件将程序清单11-3中的相关代码输入calcjemp.v文件的参数定义、信号定义和电路实现部分，并参考2.3节步骤5检查语法。其中，第16至22行代码的作用是根据温度转换公式，得到温度的输岀结果data_o，温度的计算过程与相对湿度相似，这里不再贅述。实验步骤实验步骤步骤5：完善sht2x_top.v文件打开sht2x_top.v文件，将程序清单11-4中的相应代码输入sht2x_top.v文件的信号定义和模块例化部分，并参考2.3节步骤5检查语法。实验步骤实验步骤实验步骤步骤6：仿真测试检查完sht2x_top.v文件的语法之后，对sht2x_top模块进行仿真。本实验已经提供了完整的测试文件sht2x_top_tf.v，可以直接参考2.3节步骤7对sht2x_top模块进行仿真。如图11-6所示，可以看到在复位后，sda_io和scl_o开始输出信号给SHT20，首先是发送从机（温/湿度传感器）的I2C地址和写命令10000000，然后等待应答。因为这里没有对应答信号进行仿真，因此FPGA会一直发送10000000并等待应答。实验步骤实验步骤步骤7：板级验证本