医用FPGA开发教程-基于Xilinx和VHDL-第13讲-SHT20温湿度测量实验

第13讲SHT20温湿度测量实验1医用FPGA开发实用教程——基于Xilinx和VHDLPracticalTutorialonMedicalFPGADevelopment——BasedonXilinxandVHDL实验原理ExperimentalPrinciples“

基于FPGA高级开发系统设计一个SHT20温湿度测量实验，通过学习SHT20温湿度传感器通信和信号转换原理，综合七段数码管实验，将采集到的温度值和湿度值显示在七段数码管上。13.12电路原理图

FPGA芯片的C8引脚连接SHT20芯片的SCL引脚，为时钟引脚，芯片的D8引脚连接SHT20芯片的SDA引脚，为数据引脚。SDA和SCL都有10kΩ的上拉电阻，空闲状态时为高电平。3SHT20通信

SHT20采用标准的IIC协议进行通信，将SHT20上电启动后，最多需要15ms达到空闲状态（此时SCL为高电平），即做好了接收主机发送命令的准备。在启动传输后，之后传输的IIC首字节包括7位的SHT20IIC器件地址（1000000）和一个SDA方向位（读R：‘1’，写W：‘0’）。在第8个SCL时钟下降沿之后，传感器通过拉低SDA引脚（ACK位）表示接收数据正常。启动测量时，FPGA在发出测量命令之后（11110011代表温度测量，11110101代表相对湿度测量），必须等待测量完成。4SHT20基本命令5命令释义代码触发T测量保持主机11100011触发RH测量保持主机11100101触发T测量非保持主机11110011触发RH测量非保持主机11110101写用户寄存器*11100110读用户寄存器*11100111软复位*11111110基本命令集（T代表温度、RH代表相对湿度)主机模式和非主机模式

FPGA与SHT20之间的通讯有两种不同的工作方式：主机模式或非主机模式。在主机模式下，在测量的过程中，SCL线被封锁（由传感器进行控制），也就是说，当使用主机模式进行测量时，SHT20会将SCL拉低强制主机进入等待状态。然后通过释放SCL线，表示传感器内部处理工作结束，进而可以继续数据的传输。而在非主机模式下，FPGA需要对SHT20的状态进行查询。此过程通过发送一个启动传输时序，之后发送IIC首字节（1000’0001）来完成。如果内部处理工作完成，FPGA查询到传感器发出的确认信号后，相关数据就可以通过FPGA进行读取。如果测量处理工作没有完成，传感器无确认位（ACK）输出，此时必须重新发送启动传输时序。6非主机模式

SHT20在非主机模式下的读/写数据时序图如图下，其中，灰色部分由SHT20控制，由于测量的最大分辨率为14位，Data（LSB）之后的2位Stat（bit43和bit44）用来传输相关的状态信息，Stat中的bit1位表示测量的类型（温度为0，湿度为1），而bit0位当前则没有赋值。7数据传输流程8SHT20信号转换

传感器内部设置的默认分辨率为相对湿度12位和温度14位。SDA的输出数据被转换成两个字节的数据包，高字节MSB在前（左对齐），每个字节后面都跟随一个应答位。而LSB的最后两位为两个状态位Stat，因此LSB的后两位在进行物理计算前须置‘0’。如主机读取从机数据为‘0110001101010010，在进行物理换算时，后两位状态位，置‘0’，那么所传输的16位相对湿度信号SRH=‘0110001101010000’=25424。9温湿度的计算10

内部电路图11实验步骤ExperimentalProcedure“13.212实验步骤13步骤1：复制工程文件夹并添加Verilog文件步骤2：完善sht2x.v文件步骤3：完善calc_humi.v文件步骤4：完善calc_temp.v文件步骤5：完善sht2x_top.v文件步骤6：仿真测试步骤7：板级验证本章任务Tasksinthischapter“13.314本章任务15

在本实验的基础上，增加OLED显示模块，通过OLED显示温湿度的值，第一行居中显示实验名，第二行居中显示“humi:xx%RH”，第三行居中显示“temp:xx℃”，第四行居中显示日期。本章习题Exercisesinthischapter“13.416本章习题171.简述SHT20的测量过程。2.如果主机从从机中读取到的湿度信号数据为0110001101011110，那么最终得到的相对湿度是多少？3.如果读取到的温度信号数据为10000