御神楽的学习记录之基于FPGA的AHT10温湿度数据采集

一、AHT10手册解析

1.1 AHT10通信协议

基于标准的I2C协议

​ 串行时钟SCL

​ SCL用于微处理器与AHT10之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCL频率。

​ 串行数据SDA

​ SDA引脚用于传感器的数据输入和输出。当向传感器发送命令时，SDA在串行时钟（SCL）的上升沿有效，且当SCL为高电平时，SDA必须保持稳定。在SCL下降沿之后，SDA值可以被改变。

1.2 传感器启动

启动传感器

​ 将传感器上电后，电压为所选择的VDD电源电压。需要注意的是，上电后传感器需要最多20毫秒时间（此时SCL为高电平）以达到空闲状态，即做好准备接收由主机（MCU）发送的命令。

​ 启动/停止时序

​ 每个传输序列都是以Start状态作为开始以Stop状态结束，如下图

​ Start状态

​ 当SCL为高电平时，SDA由高电平转换为低电平。开始状态是由主机控制的一种特殊的总线状态，指示从机传输开始。

​ Stop状态

​ 当SCL高电平时，SDA线上从低电平转换为高电平。停止状态是由主机控制的一种特殊的总线状态，指示从机传输结束。

1.3 发送命令

​ 在启动传输后，随后传输I2C首字节包括7位的I2C设备地址0x38和一个SDA方向位x（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），指示传感器数据接收正常。在发出初始化命令之后，主机MCU必须等待测量完成。

​ 基本命令集

​ 状态位说明

1.4 传感器读取流程

​ 1.上电后要等待40ms，读取温湿度值之前，首先要看状态字的校准使能位Bit[3]是否位1(通过发送0x71可以获取一个字节的状态字)，如果不为1，要发送0xE1命令(初始化)，此命令参数有两个字节，第一个字节为0x08，第二个字节为0x00。

​ 2.直接发送0xAC命令(触发测量)，此命令参数有两个字节，第一个字节为0x33，第二个字节为0x00。

​ 触发测量数据：

​ 3.等待80ms待测量完成，忙状态Bit[7]为0，然后可以读取六个字节(发送0x71即可以读取)

​ 读取温湿度数据：

​

1.5数据转换

​ 相对湿度转换

​ 相对湿度计算公式：

​
$$RH=(\frac{S_{RH}}{2^{20}})\ast 100$$
​ 温度转换

​ 温度转换公式：

​
$$T(℃)=(\frac{S_T}{2^{20}})\ast 200-50$$

二、项目架构

2.1 项目整体架构

​ 项目总共分为4个小型模块

​ I2C主机接口模块

​ 实现I2C协议，负责将对传感器的读写操作使用I2C协议发送给AHT10传感器

​ AHT10配置模块

​ 负责传感器的配置、初始化、发测量使能等，以及将I2C接口模块的数据移位寄存送到串口发送控制模块

​ 串口发送控制模块

​ 负责将AHT配置模块的数据处理并控制串口发送的数据的方式

​ 串口发送模块

​ 标准的串口发送模块，负责发送数据

三、时序设计

传感器配置模块状态机

四、模块解析

4.1 传感器配置模块

​ 发送读写命令

 always @(*) begin
        if (state_c == INIT) begin
            case (cnt_byte)
                0           : TX(1'b1,{
    `CMD_START|`CMD_WRITE},{
    `I2C_ADR,`WR_BIT});//发起始位、设备地址、写控制位
                1           : TX(1'b1,`CMD_WRITE,{
    `AHT_INIT});//发初始化指令
                2           : TX(1'b1,`CMD_WRITE,8'b0000_1000);//初始化指令数据
                3           : TX(1'b1,{`CMD_WRITE|`CMD_STOP},8'b0000_0000);
                default     : TX(1'b1,`CMD_WRITE,8'b0000_0000); 
            endcase                    
       end
       else if (state_c == MEASURE) begin
            case (cnt_byte)
                0           : TX(1'b1,{
    `CMD_START|`CMD_WRITE},{
    `I2C_ADR,`WR_BIT});//发起始位、设备地址、写控制位
                1           : TX(1'b1,`CMD_WRITE,{
    `AHT_MEASURE});//发触发测量指令
                2           : TX(1'b1,`CMD_WRITE,8'b0011_0011);//触发测量指令数据
                3           : TX(1'b1,{`CMD_WRITE|`CMD_STOP},8'b0000_0000);
                default     : TX(1'b1,`CMD_WRITE,8'b0000_0000); 
            endcase                    
       end
       else if (state_c == READ) begin
            case (cnt_byte)
                0           : TX(1'b1,{
    `CMD_START|`CMD_WRITE},{
    `I2C_ADR,`RD_BIT});//发起始位、设备地址、读控制位
                READ_BYTE-1 : TX(1'b1,{
    `CMD_READ|`CMD_STOP},0);//最后一个字节读数据和发停止位
                default     : TX(1'b1,{
    `CMD_READ},0);//读数据
            endcase
       end
       else begin
             TX(1'b0,tx_cmd,tx_data);                
       end
    end

​ 通过在不同的状态，如在发测量指令和初始化状态，复用计数器，发送对应字节的数据给I2C接口模块

​ 计数器复用

//cnt_byte 
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 
        if (rst_n==0) begin
            cnt_byte <= 0; 
        end
        else if(add_cnt_byte) begin
            if(end_cnt_byte)
                cnt_byte <= 0; 
            else
                cnt_byte <= cnt_byte+1 ;
       end
    end
    assign add_cnt_byte = (state_c==MEASURE | state_c==READ|state_c==INIT)&done;
    assign end_cnt_byte = add_cnt_byte  && cnt_byte == ((state_c==MEASURE|state_c==INIT)?
                                                        (WRITE_BYTE-1):(READ_BYTE-1));

//cnt_ms 
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 
        if (rst_n==0) begin
            cnt_ms <= 0; 
        end
        else if(add_cnt_ms) begin
            if(end_cnt_ms)
                cnt_ms <= 0; 
            else
                cnt_ms <= cnt_ms+1 ;
       end
    end
    assign add_cnt_ms = (state_c== WAIT_40 | state_c == WAIT_80);
    assign end_cnt_ms = add_cnt_ms  && cnt_ms == ((state_c==WAIT_40)?
                                                        (TIME_40MS-1):(TIME_80MS-1));

​ 根据不同的状态实现计数器的结束条件不同，达到复用目的。

4.2 数据处理

​ 使用手册提供的公式计算即可

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
      if (!rst_n) begin
         humi_data <= 20'b0;
         temp_data <= 20'b0;                    
      end
      else if (din_vld) begin

         humi_data <= (data_r[39:20]*100>>20);
          temp_data <= (data_r[19:0]*200>>20)-50;
                     
      end
      else begin
         humi_data <= humi_data; 
         temp_data <= temp_data;              
      end
   end

​ 串口发送数据

​ 由于串口发送模块只能接收一字节的数据，过采用计数器计数字节数，分字节发送。

//字节计数器
   always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
      if (!rst_n) begin
         cnt_byte <= 1'b0;
      end
      else if (end_cnt_byte) begin
         cnt_byte <= 1'b0;
      end
      else if (add_cnt_byte) begin
         cnt_byte <= cnt_byte + 1'b1;
      end
      else begin
         cnt_byte <= cnt_byte;
      end
      
   end
   assign add_cnt_byte = flag;//开始条件
   assign end_cnt_byte = add_cnt_byte && cnt_byte == BYTE_MAX -1;

   always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
      if (!rst_n) begin
        data_tx_fifo <= 0;               
      end
      else if (flag) begin
         case (cnt_byte)
            0: data_tx_fifo <= 8'hce;
            1: data_tx_fifo <= 8'hc2;//温
            2: data_tx_fifo <= 8'hb6;
            3: data_tx_fifo <= 8'hc8;//度
            4: data_tx_fifo <= 8'h3a;//:
            5: data_tx_fifo <= (temp_data /10 %10)+48;
            6: data_tx_fifo <= (temp_data  %10)+48;
            7: data_tx_fifo <= 8'ha1;
            8: data_tx_fifo <= 8'he6;//℃

            9: data_tx_fifo <= 8'hca;
            10: data_tx_fifo <= 8'haa;//湿
           11: data_tx_fifo <= 8'hb6;
           12: data_tx_fifo <= 8'hc8;//度
           13: data_tx_fifo <= 8'h3a;//:
           14: data_tx_fifo <= (humi_data /10%10)+48;
           15: data_tx_fifo <= (humi_data %10)+48;
           16: data_tx_fifo <= 8'h25;//%
            default:data_tx_fifo <= 8'h0 ;
         endcase              
      end  
   end

​ 数据发送缓存FIFO

	assign rdreq = busy&&~empty;
    assign wrreq = ~full && flag_r;
  
   fifo	fifo_inst (
	.clock         ( clk ),
	.data ( data_tx_fifo ),
	.rdreq       ( rdreq ),
	.wrreq       ( wrreq ),
	.empty       ( empty ),
	.full         ( full ),
	.q          ( data_tx),
	.usedw   ( usedw_sig )
	);

将处理好的每个字节数据存入FIFO，通过串口的发送完成信号来控制读取FIFO数据到串口发送模块中去

五、模块测试

项目整体仿真

传感器初始化

发送测量命令

发送读命令

SignalTap

串口发送数据控制波形

读状态I2C协议波形及数据

串口发送效果