BH1750环境光强度传感器FPGA驱动

BH1750环境光强度传感器FPGA驱动

1. BH1750介绍
       BH1750是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。(1x-65535lx)
特点：
1.支持IIC接口。
2.接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性(峰值灵敏度波长典型值:560nm).
3.输出对应亮度的数字值。
4.对应广泛的输入光范围(相当于1-65535lx)。
5.通过降低功率功能,实现低电流化。

引脚名称	介绍
GND	电源地
VCC	供电电源
SCL	IIC时钟线
SDA	IIC数据线，双向IO口
ADDR	IIC地址线，接GND时地址为：0100011；接VCC时地址为：1011100

2. BH1750的IIC通信
      

上面所示是BH1750用IIC通信协议实现测量的步骤。如果忽略第二步的等待时间，这是一个标准的IIC读取过程，因此为了方便，可以在标准的IIC通信协议上做修改，再第二次写入器件地址前做一个延时等待判断。当延时时间为200ms时，开始执行第三步的操作。同时需要注意，BH1750的输出数据为16bit，IIC读取时要改为16位读取。

3. 整体模块

key_filter模块是按键输入的消抖模块，当按下按键是，FPGA开始用IIC通信协议向BH1750通信，经过延时等待后得到数据。将数据利用UART串口模块发送到上位机计算使用。

4. 代码

按键消抖

module key_filter(Clk,Rst_n,key_in,key_flag,key_state);

	input Clk;
	input Rst_n;
	input key_in;
	
	output reg key_flag;
	output reg key_state;
	
	localparam
		IDEL		= 4'b0001,
		FILTER0	= 4'b0010,
		DOWN		= 4'b0100,
		FILTER1 	= 4'b1000;
		
	reg [3:0]state;
	reg [19:0]cnt;
	reg en_cnt;	//使能计数寄存器
	
//对外部输入的异步信号进行同步处理
	reg key_in_sa,key_in_sb;
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
	if(!Rst_n)begin
		key_in_sa <= 1'b0;
		key_in_sb <= 1'b0;
	end
	else begin
		key_in_sa <= key_in;
		key_in_sb <= key_in_sa;	
	end
	
	reg key_tmpa,key_tmpb;
	wire pedge,nedge;
	reg cnt_full;//计数满标志信号
	
//使用D触发器存储两个相邻时钟上升沿时外部输入信号（已经同步到系统时钟域中）的电平状态
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
	if(!Rst_n)begin
		key_tmpa <= 1'b0;
		key_tmpb <= 1'b0;
	end
	else begin
		key_tmpa <= key_in_sb;
		key_tmpb <= key_tmpa;	
	end

//产生跳变沿信号	
	assign nedge = !key_tmpa & key_tmpb;
	assign pedge = key_tmpa & (!key_tmpb);
	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
	if(!Rst_n)begin
		en_cnt <= 1'b0;
		state <= IDEL;
		key_flag <= 1'b0;
		key_state <= 1'b1;
	end
	else begin
		case(state)
			IDEL :
				begin
					key_flag <= 1'b0;
					if(nedge)begin
						state <= FILTER0;
						en_cnt <= 1'b1;
					end
					else
						state <= IDEL;
				end
					
			FILTER0:
				if(cnt_full)begin
					key_flag <= 1'b1;
					key_state <= 1'b0;
					en_cnt <= 1'b0;
					state <= DOWN;
				end
				else if(pedge)begin
					state <= IDEL;
					en_cnt <= 1'b0;
				end
				else
					state <= FILTER0;
					
			DOWN:
				begin
					key_flag <= 1'b0;
					if(pedge)begin
						state <= FILTER1;
						en_cnt <= 1'b1;
					end
					else
						state <= DOWN;
				end
			
			FILTER1:
				if(cnt_full)begin
					key_flag <= 1'b1;
					key_state <= 1'b1;
					state <= IDEL;
				end
				else if(nedge)begin
					en_cnt <= 1'b0;
					state <= DOWN;
				end
				else
					state <= FILTER1;
			
			default:
				begin 
					state <= IDEL; 
					en_cnt <= 1'b0;		
					key_flag <= 1'b0;
					key_state <= 1'b1;
				end
				
		endcase	
	end
	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
	if(!Rst_n)
		cnt <= 20'd0;
	else if(en_cnt)
		cnt <= cnt + 1'b1;
	else
		cnt <= 20'd0;
			
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
	if(!Rst_n)
		cnt_full <= 1'b0;
	else if(cnt == 4_999)
		cnt_full <= 1'b1;
	else
		cnt_full <= 1'b0;	

endmodule

IIC驱动

module i2c_dri
    #(// slave address（器件地址）
      parameter   SLAVE_ADDR =  7'b0100011 ,
      parameter   CLK_FREQ   = 26'd50_000_000,   // i2c_dri模块的驱动时钟频率(CLK_FREQ)
      parameter   I2C_FREQ   = 18'd250_000       // I2C的SCL时钟频率
     )(
          //global clock
          input                clk        ,      // i2c_dri模块的驱动时钟(CLK_FREQ)
          input                rst_n      ,      // 复位信号

          //i2c interface
          input                i2c_exec   ,      // I2C触发执行信号
          input                bit_ctrl   ,      // 字地址位控制(16b/8b)
          input                i2c_rh_wl  ,      // I2C读写控制信号
          input        [ 7:0]  i2c_addr   ,      // I2C器件内地址
          input        [ 7:0]  i2c_data_w ,      // I2C要写的数据
          output  reg  [ 15:0]  i2c_data_r ,      // I2C读出的数据
          output  reg          i2c_done   ,      // I2C一次操作完成
          output  reg          scl        ,      // I2C的SCL时钟信号
          inout                sda        ,      // I2C的SDA信号

          //user interface
          output  reg          dri_clk           // 驱动I2C操作的驱动时钟
     );

//localparam define
localparam  st_idle     = 8'b0000_0001;          // 空闲状态
localparam  st_sladdr   = 8'b0000_0010;          // 发送器件地址(slave address)
localparam  st_addr16   = 8'b0000_0100;          // 发送16位字地址
localparam  st_addr8    = 8'b0000_1000;          // 发送8位字地址
localparam  st_data_wr  = 8'b0001_0000;          // 写数据(8 bit)
localparam  st_addr_rd  = 8'b0010_0000;          // 发送器件地址读
localparam  st_data_rd  = 8'b0100_0000;          // 读数据(8 bit)
localparam  st_stop     = 8'b1000_0000;          // 结束I2C操作

//reg define
reg            sda_dir     ;                     // I2C数据(SDA)方向控制
reg            sda_out     ;                     // SDA输出信号
reg            st_done     ;                     // 状态结束
reg            wr_flag     ;                     // 写标志
reg    [ 6:0]  cnt         ;                     // 计数
reg    [ 7:0]  cur_state   ;                     // 状态机当前状态
reg    [ 7:0]  next_state  ;                     // 状态机下一状态
reg    [15:0]  addr_t      ;                     // 地址
reg    [15:0]  data_r      ;                     // 读取的数据
reg    [ 7:0]  data_wr_t   ;                     // I2C需写的数据的临时寄存
reg    [ 9:0]  clk_cnt     ;                     // 分频时钟计数

reg    [15:0]  delay_cnt   ;                     // 延时200ms时钟计数
reg            delay_done  ;                     // 延时结束

//wire define
wire          sda_in      ;                      // SDA输入信号
wire   [8:0]  clk_divide  ;                      // 模块驱动时钟的分频系数



//SDA控制
assign  sda     = sda_dir ?  sda_out : 1'bz;     // SDA数据输出或高阻
assign  sda_in  = sda ;                          // SDA数据输入
assign  clk_divide = (CLK_FREQ/I2C_FREQ) >> 3;   // 模块驱动时钟的分频系数

//生成I2C的SCL的四倍频率的驱动时钟用于驱动i2c的操作
always @