FPGA采集DHT11溫濕度
一. 簡(jiǎn)介
本篇是FPGA之旅設(shè)計(jì)的第十二例，在前面的例程中，完成了DS18B20溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集，并且將采集到的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。由于本例將對(duì)溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行采集，而且兩者的數(shù)據(jù)采集過程類似，所以可以參考一下前面的例程。本例將通過signal top實(shí)時(shí)采集波形，確定采集到的數(shù)據(jù)是正確了(數(shù)據(jù)中帶了校驗(yàn))。
二. DHT11傳感器簡(jiǎn)介
應(yīng)用電路如下，和DS18B20一樣，只需要一根數(shù)據(jù)線與FPGA進(jìn)行通信。每次通信都是FPGA發(fā)起的，隨后DHT11會(huì)輸出40bit的數(shù)據(jù)給FPGA。溫度測(cè)試范圍為0-50℃，濕度測(cè)試范圍為20-90%RH(相對(duì)濕度)，簡(jiǎn)單了解一下即可。
三. 數(shù)據(jù)傳輸過程
數(shù)據(jù)傳輸一共包括三個(gè)部分
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開始采集 : FPGA拉低數(shù)據(jù)線，然后釋放，等等DHT11響應(yīng)
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數(shù)據(jù)采集 : 這部分一共需要傳輸40bit的數(shù)據(jù)，分別為(高到底) 8bit濕度整數(shù)位，8bit濕度小數(shù)位，8bit溫度整數(shù)位，8bit溫度小數(shù)位,8bit校驗(yàn)和。校驗(yàn)和 = 數(shù)據(jù)之和，通過這個(gè)可以判斷接收到的數(shù)據(jù)是否正確。
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采集結(jié)束：從機(jī)拉低約50us后，主機(jī)拉低
官方圖如下，下面詳細(xì)說明一下各個(gè)部分。
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開始采集
從圖中可以看到，開始采集包括兩個(gè)部分，主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)先拉低總線18ms，然后拉高20-40us后釋放總線，然后從機(jī)響應(yīng)拉低總線80us后，拉高總線80us，就完成了。這里的拉低拉高時(shí)間都不是一個(gè)固定值，可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定。
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數(shù)據(jù)傳輸
開始采集結(jié)束后，就是數(shù)據(jù)傳輸了，一根總線最關(guān)心的問題就是如何表示數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)0了。
數(shù)據(jù)0表示如下
數(shù)據(jù)1表示如下
可以看到，無(wú)論是數(shù)據(jù)0還是數(shù)據(jù)1，總線拉低的時(shí)間都是一樣的，所以在判斷數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1，只需要根據(jù)高電平的持續(xù)時(shí)間即可。
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采集結(jié)束
在從機(jī)拉低50us后，F(xiàn)PGA將總線拉高即可。
以上就是DHT11數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜績(jī)?nèi)容，還是比較容易的哈。
四. 代碼實(shí)現(xiàn)
(一). 狀態(tài)機(jī)確定
通過上面的時(shí)序圖，可以確定，采集過程可以大致分為六個(gè)階段，其中請(qǐng)求部分可以分為FPGA請(qǐng)求和DHT11應(yīng)答兩個(gè)部分,具體如下。
localparam S_IDLE = 'd0; //空閑態(tài)localparam S_START_FPGA = 'd1; //FPGA請(qǐng)求采集數(shù)據(jù)開始localparam S_START_DHT11 = 'd2; //DHT11開始請(qǐng)求應(yīng)答localparam S_DATA = 'd3; //數(shù)據(jù)傳輸localparam S_STOP = 'd4; //數(shù)據(jù)結(jié)束localparam S_DOEN = 'd5; //數(shù)據(jù)采集完成
(二). 計(jì)時(shí)周期數(shù)確定
在時(shí)序圖中，提到了18ms，26-28us，20-40us，50us，70us，80us等等，但是經(jīng)過分析后，并不需要定義這么多個(gè)計(jì)時(shí)周期數(shù)，只需要定義兩個(gè)即可。為什么只定義這兩個(gè)就可以了呢？
在時(shí)序圖中，需要FPGA判斷時(shí)間的，有兩個(gè)位置，一個(gè)是FPGA拉低18ms以上，另外一個(gè)是判斷數(shù)據(jù)表示是數(shù)據(jù)0還是數(shù)據(jù)1。第一個(gè)很清楚就是18ms。數(shù)據(jù)0表示的數(shù)據(jù)位26-28us，為了保險(xiǎn)起見，這里設(shè)置為35us，如果高電平的持續(xù)時(shí)間低于35us，那么就表示數(shù)據(jù)0。
//時(shí)鐘為50MHZ，20nslocalparam TIME18ms = 'd1000_099; //開始態(tài)的拉低18ms,900_000個(gè)時(shí)鐘周期，這里適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)了拉低時(shí)間。localparam TIME35us = 'd1_750; //數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)0拉高的出現(xiàn)
在編寫代碼的時(shí)候，低電平是不需要處理的，只需要通過下降沿當(dāng)前的傳輸狀態(tài)即可。例如說在dht11響應(yīng)的階段，只需要判斷是否產(chǎn)生了下降沿，至于其高電平和低電平各種持續(xù)了多長(zhǎng)的時(shí)間，這個(gè)可以忽略。
(三). 狀態(tài)轉(zhuǎn)移編寫
從狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件可以看到，都是通過下降沿，和周期計(jì)數(shù)來(lái)作為條件進(jìn)行轉(zhuǎn)移的。
always@(*)begin case(state) S_IDLE: if(dht11_req == 1'b1) //數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求過來(lái)進(jìn)入開始態(tài) next_state <= S_START_FPGA; else next_state <= S_IDLE; S_START_FPGA: if((DHT11_Cnt >= TIME18ms) && dht11_negedge == 1'b1) //FPGA請(qǐng)求結(jié)束結(jié)束 next_state <= S_START_DHT11; else next_state <= S_START_FPGA; S_START_DHT11: if((DHT11_Cnt > TIME35us) && dht11_negedge == 1'b1) //延時(shí)一段時(shí)間后，通過判斷dht11總線的下降沿，是否結(jié)束響應(yīng) next_state <= S_DATA; else next_state <= S_START_DHT11; S_DATA: if(DHT11Bit_Cnt == 'd39 && dht11_negedge == 1'b1) //接收到40bit數(shù)據(jù)后，進(jìn)入停止態(tài) next_state <= S_STOP; else next_state <= S_DATA; S_STOP: if(DHT11_Cnt == TIME35us + TIME35us) //數(shù)據(jù)傳輸完成后，等待總線拉低50us,這里是70us next_state <= S_DOEN; else next_state <= S_STOP; S_DOEN: next_state <= S_IDLE; default: next_state <= S_IDLE; endcaseend
(四). 采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
根據(jù)手冊(cè)的指示，先發(fā)送高位，后發(fā)送低位，按照條件來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)即可。
/*接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)*/always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin if(rst_n == 1'b0) dht11_data <= 'd0; else if(state == S_DATA) if((DHT11_Cnt <= TIME35us + 'd3000) && dht11_negedge == 1'b1) //'d3000為低電平時(shí)間(這個(gè)是有必要的)，高電平持續(xù)時(shí)間低于35us認(rèn)為是數(shù)據(jù)0 dht11_data <= {dht11_data[38:0],1'b0}; else if(dht11_negedge == 1'b1) dht11_data <= {dht11_data[38:0],1'b1}; else dht11_data <= dht11_data; else dht11_data <= dht11_data;end
最后通過signal tap獲取到的數(shù)據(jù)如下。
計(jì)數(shù)校驗(yàn)和，2C + 02 + 1C + 06 = 50,可以知道數(shù)據(jù)采集正確。
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