FPGA实验记录五：I2C读取AHT10温湿度传感器

FPGA实验记录五：I2C读取AHT10温湿度传感器

一、AHT10温湿度传感器

1. 简介

AHT10，新一代温湿度传感器在尺寸与智能方面建立了新的标准：它嵌入了始于回流焊的双列扁平无引脚SMD封装，底面4*5mm，高度1.6mm。传感器输出经过标定的数字信号，标准I²C格式。

AHT10配有一个全新设计的ASIC专用芯片、一个经过改进的MEMS半导体电容式湿度传感元件和一个标准的片上温度传感元件，其性能已经大大提升甚至超出了前一代传感器的可靠水平，新一代温湿度传感器，经过改进使其在恶劣环境下的性能更加稳定。

每一个传感器都经过校准和测试，在产品表面印有产品批号。由于对传感器做了改良和微型化改进，因此它的性价比更高，并且最终所有设备都将得益尖端的节能运行模式。

I2C总线上仅能连接一个AHT10，连上后便不再支持其他I2C部件。

2. 传感器性能

3. 布线规则和信号完整性

如果SCL和SDA信号线相互平行且非常接近，有可能导致信号串扰和通讯失败。解决方法是在两个信号线之间放置VDD/GND，将信号线隔开，或使用屏蔽电缆。此外，降低SCL频率也可能提高信号传输的完整性。须在电源引脚VDD/GND之间加一个10μF的去耦电容，用于滤波。次电容应尽量靠近传感器。

此外，为了提高传感器的可靠性，电路板在layout时避免在传感器底部布线或覆盖设计。

针对本次实验而言，这里的10μF去耦电容不需要理会，在此贴出只是为了文章的严谨性。

4. 接口定义

• VDD、GND电源引脚：AHT10的供电范围为1.8-3.6V，推荐电压为3.3V。
• SCL串行时钟：用于微处理器（FPGA）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。
• SDA串行数据：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为高电平之后，SDA必须保持稳定。在SCL下降沿之后，SDA值可被改变。SDA的有效时间在SCL上升沿之前的TSU和下降沿之后的TH0。
  • 当从传感器读取数据时，SDA在SCL变低以后有效，且维持到下一个SCL下降沿。（标准I2C）

5. 命令与时序

每个传输序列都以Start状态作为开始，并以Stop状态结束。（I2C格式）

命令	释义	二进制	十六进制
首字节	包含设备地址的读写控制字（Read：1，Write：0）。	0111_000x	0x38<<1 + 1/0
查看状态字/读取测量值	实际上是读控制字，意味着在非触发测量时，可以读取状态字；触发测量后80ms可以读取1个状态字+温湿度值共5个字	0111_0001	0x71
初始化字 0XE1	初始化传感器各种状态，拥有两个命令参数字节，分别是0x08和0x00。	1110_0001&0000_1000&0	0XE1&0x08&0x00
触发测量 0xAC	读取温湿度，拥有两个命令参数字节，分别是0x33和0x00。	1010_1100&0011_0011&0	0xAC&0x33&0x00
软复位 0XBA	用于在无需关闭和再次打开电源的情况下，重新启动传感器系统。接收到此命令后传感器系统开始重新初始化，并恢复默认设置状态，软复位所需时间不超过20ms。	1011_1010	0xBA

传感器读取流程：

1. 上电后等待40ms，读取温湿度值之前，首先要看状态字节的校准时能Bit[3]是否为1（通过发送0x71可以获取1个字节的状态字），如果不为1，要发送0XE1命令以及两个参数0x08和0x00。

   命令参数什么意思？我这里可以从函数的角度去看他，理解为0XE1(0X08,0X00)。即只发送一个函数名还不行，还需要两个参数传递进去才能触发它应有的功能。那只能传递这两个参数吗？有其他的吗？目前在手册上还没有发现其他参数。

2. 直接发送0xAC命令与相应的命令参数0x33和0x00来触发测量。

3. 等待80ms，发送读控制字读取状态和测量值。(一共6字节，其中状态1字节，温湿度各2.5字节)

软复位：

6. 信号转换

相对湿度转换：

相对湿度RH都可以根据SDA输出的相对湿度信号**S_RH[19:0]**通过如下公式计算获得

（结果以%RH表示）

温度转换：

温度T都可以通过将温度输出信号**S_T[19:0]**带入到下面的公式计算得到

（结果以℃表示）

二、I2C协议

关于I2C的相关知识，我上一篇博客已经写的很清楚了，可以参考FPGA基础协议二：I2C读取E2PROM

三、逻辑设计

1. 实验要求：

通过I2C协议使用FPGA读取AHT10所测定的温湿度值。

2. 设计思路：

总体需求：使用FPGA通过串口和I2C协议将AHT10测定的温湿度值传递到上位机中进行显示。

测量温湿度流程：

1. 上电后等待40ms

2. 发送 读取状态命令0X71然后 接收状态字；

3. 如果状态字校验位bit[3]!=1，则发送起始位+写控制字 + 初始化命令0XE1(0x08,0x00)+停止位，否则跳过此步；

   校准位检验在上电时检查即可，后面便可以不再检查。

4. 发送起始位+ 写控制字 + 触发测量命令0XE1(0X33,0X00)+停止位；

5. 等待80ms；

6. 发送起始位+ 读控制字，然后等待接收状态数据以及温湿度数据，接收完6字节后发送停止位；

7. 将温湿度数据进行信号转换，然后通过串口发送到上位机中进行展示;

8. 重复5-7步骤。

**或者，**也可以非常粗鲁地跳过第2步，直接执行1，3–8步骤，因为初始化化后校验位必为1，这样就可以省略很多不必要的流程。

本次实验也将跳过第2步来简化操作。

模块设计：

• 需要一个ATH读写控制模块，来控制命令发送；
• 需要一个I2C接口模块来讲数据进行I2C协议格式的转换；
• 需要一个IO_CTRL模块来控制SDA的输入输出状态；
• 需要一个Data_driver数据处理模块，来讲数据信号进行合理转换；
• 需要一个Uart_Tx模块来讲数据发送给上位机，同时配备一个fifo来暂存发送字节；

3. 模块框图：

uart_tx: 串口发送模块，用于将程序存于rdfifo中的温湿度数据并串转换后发送给上位机进行展示；

aht10_rwctrl: AHT10读写控制模块，用来向AHT10温湿度传感器发送命令，以及处理i2c接口模块接收到并串并转换后的数据，比如将温湿度字节根据公式进行信号转换后存入data_driver中进行处理；

data_driver: 数据处理模块，用于将从AHT10读取的温湿度数据处理切割成数个字节，使其通过串口打印在上位机时符合精度要求；

i2c_interface：i2c接口模块，用来把接收到的指令并串转换为I2C协议的格式然后传输到AHT10存储器中，或将AHT10传输回来的信息进行串并转换传回到rwctrl模块中；

io_ctrl: SDA总线控制模块，负责控制这根inout双向数据总线何时input，何时output。（对data_driver而言没有太大的关系，把data_driver放在里面只是为了方便接收rwctrl模块出来的数据）

4. 状态机：

负责产生时钟的是主状态机，这里i2c接口模块负责控制SCLK，即产生时钟。

主状态机：

• IDLE：空闲状态，这个时候SCL与SDA都为高电平，等待主状态机的命令。

• START：发送起始位，此时SDA将在SCL处于高电平时拉低。起始位只存在于读写控制字之前，往