FPGA毕设系列 - 传感器

geren2014

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。在FPGA中，传感器的应用也是极为常见，这里我们给大家分享下温湿度以及接近式传感器在FPGA中的应用，希望对相关课题的小伙伴有所帮助。

数字温湿度计

一、设计任务

通过FPGA实现传感器的检测，能测出当前环境的温度及湿度。

二、设计准备

硬件：小脚丫FPGA核心板、温湿度传感器SHT-20

软件：Quartus Prime/Lattice Diamond

三、设计结构

四、设计原理

下图为温湿度传感器SHT-20模块电路，与FPGA硬件接口有I2C总线（SCL、SDA），SHT2x 传感器包含电容式湿度传感器、带隙温度传感器和专用的模拟和数字集成电路-全部放在单 CMOSens®芯片上。

五、设计驱动

通过SHT-20时序参数了解，SHT-20支持I2C通信400KHz快速模式同时兼容100KHz的标准模式，还有两种模式下时序中的各种时间参数，所以通信速度不需要调整，本实验涉及软件复位、温度测量和湿度测量三个操作分别查看其时序流程。

软件复位操作程序实现如下：

1. MODE1:begin//单次写操作
   
2.         if(cnt_mode1 >=4'd4) cnt_mode1 <=1'b0;    //对START中的子状态执行控制cnt_start
   
3.         else cnt_mode1 <= cnt_mode1 +1'b1;
   
4.         state_back <= MODE1;
   
5.         case(cnt_mode1)
   
6.             4'd0:   begin state <= START;end   //I2C通信时序中的START
   
7.             4'd1:   begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE;end   //设备地址
   
8.             4'd2:   begin data_wr <= reg_addr; state <= WRITE;end  //寄存器地址
   
9.             4'd3:   begin state <= STOP;end    //I2C通信时序中的STOP
   
10.             4'd4:   begin state <= MAIN;end    //返回MAIN
    
11.             default: state <= IDLE;//如果程序失控，进入IDLE自复位状态
    
12.         endcase
    
13.     end

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温湿度测量分为两部分，写指令部分和读数据部分，写指令部分比复位操作时序流程多了20us的等待，且20us等待不是必须的，可以直接使用MODE1状态完成，读数据部分如果没有测量完成寻址时就会不应答，如果测量完成时序流程程序实现如下：

1. MODE2:begin//两次读操作
   
2.         if(cnt_mode2  >=4'd7) cnt_mode2 <=4'd0;    //对START中的子状态执行控制cnt_start
   
3.         else  cnt_mode2 <= cnt_mode2 +1'b1;
   
4.         state_back <= MODE2;
   
5.         case(cnt_mode2)
   
6.             4'd0:   begin state <= START;end   //I2C通信时序中的START
   
7.             4'd1:   begin data_wr  <=(dev_addr<<1)|8'h01; state <= WRITE;end//设备地址
   
8.             4'd2:   begin ack <= ACK; state <= READ;end    //读寄存器数据
   
9.             4'd3:   begin dat_h <= data_r;end
   
10.             4'd4:   begin ack <= NACK; state <= READ;end   //读寄存器数据
    
11.             4'd5:   begin dat_l <= data_r;end
    
12.             4'd6:   begin state <= STOP;end    //I2C通信时序中的STOP
    
13.             4'd7:   begin state <= MAIN;end    //返回MAIN
    
14.             default: state <= IDLE;//如果程序失控，进入IDLE自复位状态
    
15.         endcase
    
16.     end

复制代码

最后我们编程控制状态机按照驱动例程代码中流程运行，程序实现如下：

1. MAIN:begin
   
2.         if(cnt_main  >=4'd9) cnt_main <=4'd2;      //写完控制指令后循环读数据
   
3.         else  cnt_main <= cnt_main +1'b1;  
   
4.         case(cnt_main)
   
5.             //软件复位
   
6. 4'd0:   begin  dev_addr <=7'h40; reg_addr <=8'hfe; state <= MODE1;end
   
7.             4'd1:   begin  num_delay <=24'd6000; state <= DELAY;end//复位时间，15ms
   
8.             //测量温度
   
9. 4'd2:   begin  dev_addr <=7'h40; reg_addr <=8'hf3; state <= MODE1;end
   
10.             4'd3:   begin  num_delay <=24'd34000; state <= DELAY;end//温度转换，85ms
    
11.             4'd4:   begin  dev_addr <=7'h40; state <= MODE2;end    //读取配置
    
12.             4'd5:   begin T_code <={dat_h,dat_l};end  //读取数据
    
13.             //测量湿度
    
14.             4'd6:   begin  dev_addr <=7'h40; reg_addr <=8'hf5; state <= MODE1;end
    
15.             4'd7:   begin  num_delay <=24'd12000; state <= DELAY;end//湿度转换，30ms
    
16.             4'd8:   begin  dev_addr <=7'h40; state <= MODE2;end    //读取配置
    
17.             4'd9:   begin H_code <={dat_h,dat_l};end  //读取数据
    
18.             default: state <= IDLE;//如果程序失控，进入IDLE自复位状态
    
19.         endcase
    
20.     end

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SHT-20驱动模块得到的是温度和湿度的编码值，想要得到℃和%RH的温度和湿度的数据还需要运算（公式参考数据手册），程序实现如下：

1. wire[31:0] a = T_code *16'd17572;
   
2. wire[31:0] b = a >>16;//除以2^16取商
   
3. wire[31:0] c =(b>=32'd4685)?(b -32'd4685):(32'd4685- b);//绝对值
   
4. wire[15:0] T_data_bin = c[15:0];

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运算后的数据是二进制数，需经过BCD转码，再将4个BCD码显示在4个数码管上，实现温度的显示，另外还可以增加高位消零的设计，让数码管显示更加符合人的习惯。

1. 
   
2. //数据显示使能，高位消零
   
3. assign dat_en[7]=|T_data[15:12]; //自或
   
4. assign dat_en[6]=(b>=32'd4685)?(|T_data[15:8]):(|T_data[11:8]);
   
5. assign dat_en[5:4]=2'b11;

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这样就实现了数字温湿度计，能够检测并显示当前环境的温湿度值。

智能接近

一、设计任务

通过FPGA实现接近式的检测，能测出当前距离的远近。

二、设计准备

小脚丫FPGA核心板、接近式传感器APDS-9901

三、设计结构

四、设计原理

下图为接近光传感器APDS-9901模块电路，与FPGA硬件接口有I2C总线（SCL、SDA）和中断信号INT，APDS-9901是博通公司的集成环境光ALS、红外光IR和接近距离传感器，具有体积小、低功耗等优点，被大量应用。

五、设计驱动

APDS-9901支持I2C通信400KHz快速模式同时兼容100KHz的标准模式，还有两种模式下时序中的各种时间参数，本例中我们就采用标准模式完成驱动设计。（此处省略分频模块以及I2C各个单元程序设计的具体过程）

根据APDS-9901驱动的流程，我们首先有7次向寄存器写入数据的操作，这里我们将1次写操作做成状态机的一个状态，这样7次向寄存器写入数据的操作只需要在这个状态上循环执行7次就好了，单次写操作状态程序实现如下：

1. MODE1:begin//单次写操作
   
2.         if(cnt_mode1 >=4'd5) cnt_mode1 <=1'b0;    //对START中的子状态执行控制cnt_start
   
3.         else cnt_mode1 <= cnt_mode1 +1'b1;
   
4.         state_back  <= MODE1;
   
5.         case(cnt_mode1)
   
6.             4'd0:   begin state <= START;end   //I2C通信时序中的START
   
7.             4'd1:   begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE;end   //设备地址
   
8.             4'd2:   begin data_wr <= reg_addr; state <= WRITE;end  //寄存器地址
   
9.             4'd3:   begin data_wr <= reg_data; state <= WRITE;end  //写入数据
   
10.             4'd4:   begin state <= STOP;end    //I2C通信时序中的STOP
    
11.             4'd5:   begin state <= MAIN;end    //返回MAIN
    
12.             default: state <= IDLE;//如果程序失控，进入IDLE自复位状态
    
13.         endcase
    
14.     end

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同理两字节数据连读的操作也做成一个状态，程序实现如下：

1. MODE2:begin//两次读操作
   
2.         if(cnt_mode2 >=4'd10) cnt_mode2 <=1'b0;   //对START中的子状态执行控制cnt_start
   
3.         else cnt_mode2 <= cnt_mode2 +1'b1;
   
4.          state_back <= MODE2;
   
5.         case(cnt_mode2)
   
6.             4'd0:   begin state <= START;end   //I2C通信时序中的START
   
7.             4'd1:   begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE;end   //设备地址
   
8.             4'd2:   begin data_wr <= reg_addr; state <= WRITE;end  //寄存器地址
   
9.             4'd3:   begin state <= START;end   //I2C通信时序中的START
   
10.             4'd4:   begin data_wr <=(dev_addr<<1)|8'h01; state <= WRITE;end//设备地址
    
11.             4'd5:   begin ack <= ACK; state <= READ;end    //读寄存器数据
    
12.             4'd6:   begin dat_l <= data_r;end
    
13.             4'd7:   begin ack <= NACK; state <= READ;end   //读寄存器数据
    
14.             4'd8:   begin dat_h <= data_r;end
    
15.             4'd9:   begin state <= STOP;end    //I2C通信时序中的STOP
    
16.             4'd10:  begin state <= MAIN;end    //返回MAIN
    
17.             default: state <= IDLE;//如果程序失控，进入IDLE自复位状态
    
18.         endcase
    
19.     end

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因为用到延时，也设计成一个状态，程序实现如下：

1. DELAY:begin//延时模块
   
2.         if(cnt_delay >= num_delay)begin
   
3.             cnt_delay <=1'b0;
   
4.             state <= MAIN;
   
5.         endelse cnt_delay <= cnt_delay +1'b1;
   
6.     end

复制代码

最后我们编程控制状态机按照驱动例程代码中流程运行，程序实现如下：

1. 4'd0:begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h00;reg_data<=8'h00;state<=MODE1;end
   
2. 4'd1:begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h01;reg_data<=8'hff;state<=MODE1;end
   
3. 4'd2:begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h02;reg_data<=8'hff;state<=MODE1;end
   
4. 4'd3:begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h03;reg_data<=8'hff;state<=MODE1;end
   
5. 4'd4:begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h0e;reg_data<=8'h01;state<=MODE1;end
   
6. 4'd5:begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h0f;reg_data<=8'h20;state<=MODE1;end
   
7. 4'd6:begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h00;reg_data<=8'h0f;state<=MODE1;end
   
8. 4'd7:   begin state <= DELAY; dat_valid <=1'b0;end    //12ms延时
   
9. 4'd8:   begin dev_addr <=7'h39; reg_addr <=8'ha0|8'h14;  state <= MODE2;end
   
10. 4'd9:   begin ch0_dat <={dat_h,dat_l};end//读取数据
    
11. 4'd10:  begin dev_addr <=7'h39; reg_addr <=8'ha0|8'h16;  state <= MODE2;end
    
12. 4'd11:  begin ch1_dat <={dat_h,dat_l};end//读取数据
    
13. 4'd12:  begin dev_addr <=7'h39; reg_addr <=8'ha0|8'h18;  state <= MODE2;end
    
14. 4'd13:  begin prox_dat <={dat_h,dat_l};end    //读取数据
    
15. 4'd14:  begin dat_valid <=1'b1;end    //读取数据

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程序中我们做了一个简单的滤波处理，为了保证数据的有效，将瞬间变化太大的采样数据舍弃，程序实现如下：

1. 
   
2. reg[15:0] prox_dat0,prox_dat1,prox_dat2;
   
3. always@(posedge dat_valid)begin
   
4.     prox_dat0 <= prox_dat;
   
5.     prox_dat1 <= prox_dat0;
   
6. if(((prox_dat1-prox_dat0)>=16'h200)||((prox_dat1-prox_dat0)>=16'h200))
   
7. prox_dat2 <= prox_dat2;
   
8.     else prox_dat2 <= prox_dat0;
   
9. end

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从传感器读取的距离信息为16位数据，有效范围为0~1023，对应0到16‘h3ff，本实验要求用能量条的方式显示距离的远近，我们设计一个编码器将0到16‘h3ff的范围控制8个led灯的控制，程序实现如下：

1. always@(prox_dat2[9:7])
   
2.     case(prox_dat2[9:7])
   
3.         3'b000: Y_out =8'b11111110;
   
4.         3'b001: Y_out =8'b11111100;
   
5.         3'b010: Y_out =8'b11111000;
   
6.         3'b011: Y_out =8'b11110000;
   
7.         3'b100: Y_out =8'b11100000;
   
8.         3'b101: Y_out =8'b11000000;
   
9.         3'b110: Y_out =8'b10000000;
   
10.         3'b111: Y_out =8'b00000000;
    
11.         default:Y_out =8'b11111111;
    
12.     endcase

复制代码

这样就实现了智能接近设计，当靠近或者远离时，距离会反应在LED灯上。

来源  FPGA入门到精通

feixiang20

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