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FPGA教學——FPGA采集DHT11溫濕度

2022-09-07
來源:電子技術(shù)應(yīng)用專欄作家 FPGA之旅
關(guān)鍵詞: FPGA DHT11

  一. 簡介

  本篇是FPGA之旅設(shè)計的第十二例,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。由于本例將對溫濕度傳感器DHT11進行采集,,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實時采集波形,,確定采集到的數(shù)據(jù)是正確了(數(shù)據(jù)中帶了校驗)。

  二. DHT11傳感器簡介

  應(yīng)用電路如下,,和DS18B20一樣,只需要一根數(shù)據(jù)線與FPGA進行通信,。每次通信都是FPGA發(fā)起的,,隨后DHT11會輸出40bit的數(shù)據(jù)給FPGA。溫度測試范圍為0-50℃,,濕度測試范圍為20-90%RH(相對濕度),,簡單了解一下即可。

  微信圖片_20220907142538.png

  三. 數(shù)據(jù)傳輸過程

  數(shù)據(jù)傳輸一共包括三個部分

  開始采集 : FPGA拉低數(shù)據(jù)線,,然后釋放,,等等DHT11響應(yīng)

  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校驗和,。校驗和 = 數(shù)據(jù)之和,,通過這個可以判斷接收到的數(shù)據(jù)是否正確。

  采集結(jié)束:從機拉低約50us后,,主機拉低

  官方圖如下,,下面詳細說明一下各個部分。

  微信圖片_20220907142621.png

  1

  開始采集

  從圖中可以看到,,開始采集包括兩個部分,,主機和從機。主機先拉低總線18ms,,然后拉高20-40us后釋放總線,,然后從機響應(yīng)拉低總線80us后,拉高總線80us,就完成了,。這里的拉低拉高時間都不是一個固定值,,可以根據(jù)實際情況來決定。

  

  2

  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

  微信圖片_20220907142647.png

  數(shù)據(jù)1表示如下

  微信圖片_20220907142656.png

  可以看到,,無論是數(shù)據(jù)0還是數(shù)據(jù)1,,總線拉低的時間都是一樣的,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)時間即可,。

  3

  采集結(jié)束

  在從機拉低50us后,F(xiàn)PGA將總線拉高即可,。

  微信圖片_20220907142713.png

  以上就是DHT11數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜績?nèi)容,,還是比較容易的哈。

  四. 代碼實現(xiàn)

  (一). 狀態(tài)機確定

  通過上面的時序圖,,可以確定,,采集過程可以大致分為六個階段,其中請求部分可以分為FPGA請求和DHT11應(yīng)答兩個部分,具體如下,。

  localparam S_IDLE          =    'd0;  //空閑態(tài)

  localparam S_START_FPGA    =    'd1;  //FPGA請求采集數(shù)據(jù)開始

  localparam S_START_DHT11   =      'd2;  //DHT11開始請求應(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). 計時周期數(shù)確定

  在時序圖中,,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計時周期數(shù),,只需要定義兩個即可,。為什么只定義這兩個就可以了呢?

  在時序圖中,,需要FPGA判斷時間的,,有兩個位置,一個是FPGA拉低18ms以上,,另外一個是判斷數(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,,為了保險起見,,這里設(shè)置為35us,,如果高電平的持續(xù)時間低于35us,那么就表示數(shù)據(jù)0,。

  //時鐘為50MHZ,,20ns

  localparam  TIME18ms = 'd1000_099;    //開始態(tài)的拉低18ms,900_000個時鐘周期,這里適當?shù)难娱L了拉低時間,。

  localparam  TIME35us = 'd1_750;        //數(shù)據(jù)傳輸過程中,,數(shù)據(jù)0拉高的出現(xiàn)

  在編寫代碼的時候,低電平是不需要處理的,,只需要通過下降沿當前的傳輸狀態(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)了多長的時間,,這個可以忽略。

  (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,,和周期計數(shù)來作為條件進行轉(zhuǎn)移的。

  always@(*)

  begin

  case(state)

  S_IDLE:

  if(dht11_req == 1'b1)   //數(shù)據(jù)采集請求過來進入開始態(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)  //延時一段時間后,,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;

  endcase

  end

  (四). 采集數(shù)據(jù)存儲

  根據(jù)手冊的指示,先發(fā)送高位,,后發(fā)送低位,,按照條件來進行存儲即可。

  /*接收數(shù)據(jù)存儲*/

  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為低電平時間(這個是有必要的),,高電平持續(xù)時間低于35us認為是數(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,。

  微信圖片_20220907142744.png

  計數(shù)校驗和,2C + 02 + 1C + 06 = 50,可以知道數(shù)據(jù)采集正確,。

 

  更多信息可以來這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<

微信圖片_20210517164139.jpg

微信截圖_20220708161426.png

電子技術(shù)應(yīng)用專欄作家 FPGA之旅

原文鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/D2uBEG6cA4Q9kqO6mWcsgA

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