基于接近式傳感器的智能接近系統設計
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實(shí)驗任務(wù)
實(shí)驗目的
本節實(shí)驗主要學(xué)習I2C總線(xiàn)工作原理、協(xié)議及相關(guān)知識，掌握FPGA驅動(dòng)I2C設備的原理及方法，了解輸入輸出型端口的模型及控制實(shí)現，最終實(shí)現智能接近系統的總體設計。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202312/453885.htm設計框圖
根據前面的實(shí)驗解析我們可以得知，該設計可以拆分成兩個(gè)功能模塊實(shí)現，
實(shí)驗原理
I2C總線(xiàn)介紹
I2C總線(xiàn)是由Philips公司開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向二線(xiàn)制同步串行總線(xiàn)。它只需要兩根線(xiàn)即可在連接于總線(xiàn)上的器件之間傳送信息。
主器件用于啟動(dòng)總線(xiàn)傳送數據，并產(chǎn)生時(shí)鐘以開(kāi)放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認為是從器件．在總線(xiàn)上主和從、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時(shí)數據傳送方向。如果主機要發(fā)送數據給從器件，則主機首先尋址從器件，然后主動(dòng)發(fā)送數據至從器件，最后由主機終止數據傳送；如果主機要接收從器件的數據，首先由主器件尋址從器件．然后主機接收從器件發(fā)送的數據，最后由主機終止接收過(guò)程。在這種情況下．主機負責產(chǎn)生定時(shí)時(shí)鐘和終止數據傳送。
字節格式
發(fā)送到SDA 線(xiàn)上的每個(gè)字節必須為8 位，每次傳輸可以發(fā)送的字節數量不受限制。每個(gè)字節后必須跟一個(gè)響應位。首先傳輸的是數據的最高位（MSB），如果從機要完成一些其他功能后（例如一個(gè)內部中斷服務(wù)程序）才能接收或發(fā)送下一個(gè)完整的數據字節，可以使時(shí)鐘線(xiàn)SCL 保持低電平，迫使主機進(jìn)入等待狀態(tài)，當從機準備好接收下一個(gè)數據字節并釋放時(shí)鐘線(xiàn)SCL 后數據傳輸繼續。
啟動(dòng)和停止
在時(shí)鐘線(xiàn)SCL保持高電平期間，數據線(xiàn)SDA上的電平被拉低（即負跳變），定義為I2C總線(xiàn)總線(xiàn)的啟動(dòng)信號，它標志著(zhù)一次數據傳輸的開(kāi)始。啟動(dòng)信號是一種電平跳變時(shí)序信號，而不是一個(gè)電平信號。啟動(dòng)信號是由主控器主動(dòng)建立的，在建立該信號之前I2C總線(xiàn)必須處于空閑狀態(tài)。
在時(shí)鐘線(xiàn)SCL保持高電平期間，數據線(xiàn)SDA被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），稱(chēng)為I2C總線(xiàn)的停止信號，它標志著(zhù)一次數據傳輸的終止。停止信號也是一種電平跳變時(shí)序信號，而不是一個(gè)電平信號，停止信號也是由主控器主動(dòng)建立的，建立該信號之后，I2C總線(xiàn)將返回空閑狀態(tài)。
應答響應
數據傳輸必須帶響應，相關(guān)的響應時(shí)鐘脈沖由主機產(chǎn)生。在響應的時(shí)鐘脈沖期間，發(fā)送器釋放SDA 線(xiàn)（上拉電阻拉高），接收器必須將SDA 線(xiàn)拉低，使它在這個(gè)時(shí)鐘脈沖的高電平期間保持穩定的低電平，這種情況下是應答，如果在這個(gè)時(shí)鐘脈沖的高電平期間SDA線(xiàn)沒(méi)有被拉低則表示沒(méi)有應答。通常被尋址的接收器在接收到的每個(gè)字節后，必須產(chǎn)生一個(gè)應答。當從機接收器不應答時(shí)，主機產(chǎn)生一個(gè)停止或重復起始條件。
通信速率
常見(jiàn)的I2C總線(xiàn)依傳輸速率的不同而有不同的模式：標準模式（100 Kbit/s）、低速模式（10 Kbit/s），但時(shí)鐘頻率可被允許下降至零，這代表可以暫停通信。而新一代的I2C總線(xiàn)可以和更多的節點(diǎn)（支持10比特長(cháng)度的地址空間）以更快的速率通信：快速模式（400 Kbit/s）、高速模式（3.4 Mbit/s）。
APDS-9901模塊連接
STEP BaseBoard V3.0底板上的接近光傳感器APDS-9901模塊電路圖如下（上拉電阻未顯示）：
上圖為接近光傳感器APDS-9901模塊電路，與FPGA硬件接口有I2C總線(xiàn)（SCL、SDA）和中斷信號INT，APDS-9901是博通公司的集成環(huán)境光ALS、紅外光IR和接近距離傳感器，具有體積小、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被大量應用于手機、筆記本、相機、液晶顯示器等電子產(chǎn)品上，環(huán)境光ALS可以根據外部環(huán)境調節設備屏幕顯示亮度，接近距離傳感器可以根據應用場(chǎng)景實(shí)現產(chǎn)品對應應用，例如接聽(tīng)電話(huà)時(shí)控制手機關(guān)閉顯示等，接口采用I2C總線(xiàn)能夠支持400KHz的I2C快速模式。
雙向端口設計
可綜合Verilog模塊設計中必須有端口存在，端口有輸入input，輸出output，雙向inout，對于輸入和輸出型端口我們很好理解，我們來(lái)了解一下雙向端口信號的處理。
在芯片中為了管腳復用，很多管腳都是雙向的，既可以輸入也可以輸出。在Verilog中即為inout型端口。Inout端口的實(shí)現是使用三態(tài)門(mén)，三態(tài)門(mén)的第三個(gè)狀態(tài)是高阻態(tài)Z。在實(shí)際電路中高阻態(tài)意味著(zhù)響應的管腳懸空、斷開(kāi)。
當inout用作輸出時(shí)，就像平常一樣。當inout用作輸入時(shí)，需要設為高阻態(tài)，這樣其電平就可以由外部輸入信號決定了（這是高阻態(tài)的特性）。
雙向端口應用案例：
module bid ( input out_en, input a, inout b, output c ); assign b = out_en? a : 1'bz; assign c = b; endmodule
APDS-9901驅動(dòng)設計
通過(guò)前面的了解，我們對于整個(gè)I2C總線(xiàn)的驅動(dòng)原理有了一定的了解，接下來(lái)我們根據APDS-9901的芯片手冊了解其驅動(dòng)方法及參數要點(diǎn)。
通過(guò)APDS-9901時(shí)序參數了解，APDS-9901支持I2C通信400KHz快速模式同時(shí)兼容100KHz的標準模式，還有兩種模式下時(shí)序中的各種時(shí)間參數，本例中我們就采用標準模式完成驅動(dòng)設計。
首先我們分頻得到400KHz的時(shí)鐘，整個(gè)設計都基于該時(shí)鐘完成，程序實(shí)現如下：
//使用計數器分頻產(chǎn)生400KHz時(shí)鐘信號 clk_400khzreg clk_400khz; reg [9:0] cnt_400khz; always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin cnt_400khz <= 10'd0; clk_400khz <= 1'b0; end else if(cnt_400khz >= CNT_NUM-1) begin cnt_400khz <= 10'd0; clk_400khz <= ~clk_400khz; end else begin cnt_400khz <= cnt_400khz + 1'b1; end end
I2C時(shí)序可以分解成基本單元（啟動(dòng)、停止、發(fā)送、接收、發(fā)應答、讀應答），整個(gè)I2C通信都是由這些單元按照不同的順序組合，我們設計一個(gè)狀態(tài)機，將這些基本單元做成狀態(tài)，控制狀態(tài)機的跳轉就能實(shí)現I2C通信時(shí)序。主機每次發(fā)送數據都要接收判斷從機的響應，每次接收數據也要向從機發(fā)送響應，所以發(fā)送單元和讀應答單元可以合并，接收單元和寫(xiě)應答單元可以合并。
啟動(dòng)時(shí)序狀態(tài)設計程序實(shí)現如下：
START:begin //I2C通信時(shí)序中的起始START if(cnt_start >= 3'd5) cnt_start <= 1'b0; //對START中的子狀態(tài)執行控制cnt_start else cnt_start <= cnt_start + 1'b1; case(cnt_start) 3'd0: begin sda <= 1'b1; scl <= 1'b1; end //將SCL和SDA拉高，保持4.7us以上 3'd1: begin sda <= 1'b1; scl <= 1'b1; end //每個(gè)周期2.5us，需要兩個(gè)周期 3'd2: begin sda <= 1'b0; end //SDA拉低到SCL拉低，保持4.0us以上 3'd3: begin sda <= 1'b0; end //clk_400khz每個(gè)周期2.5us，需要兩個(gè)周期 3'd4: begin scl <= 1'b0; end //SCL拉低，保持4.7us以上 3'd5: begin scl <= 1'b0; state <= state_back; end //每個(gè)周期2.5us，兩個(gè)周期 default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復位狀態(tài) endcase end
發(fā)送單元和讀應答單元合并，時(shí)序狀態(tài)設計程序實(shí)現如下：
WRITE:begin //I2C通信時(shí)序中的寫(xiě)操作WRITE和相應判斷操作ACK if(cnt <= 3'd6) begin //共需要發(fā)送8bit的數據，這里控制循環(huán)的次數 if(cnt_write >= 3'd3) begin cnt_write <= 1'b0; cnt <= cnt + 1'b1; end else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; cnt <= cnt; end end else begin if(cnt_write >= 3'd7) begin cnt_write <= 1'b0; cnt <= 1'b0; end //復位變量 else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; cnt <= cnt; end end case(cnt_write) //按照I2C的時(shí)序傳輸數據 3'd0: begin scl <= 1'b0; sda <= data_wr[7-cnt]; end //SCL拉低，SDA輸出 3'd1: begin scl <= 1'b1; end //SCL拉高，保持4.0us以上 3'd2: begin scl <= 1'b1; end //clk_400khz每個(gè)周期2.5us，需要兩個(gè)周期 3'd3: begin scl <= 1'b0; end //SCL拉低，準備發(fā)送下1bit的數據 //獲取從設備的響應信號并判斷 3'd4: begin sda <= 1'bz; end //釋放SDA線(xiàn)，準備接收從設備的響應信號 3'd5: begin scl <= 1'b1; end //SCL拉高，保持4.0us以上 3'd6: begin ack_flag <= i2c_sda; end //獲取從設備的響應信號 3'd7: begin scl <= 1'b0; if(ack_flag)state <= state; else state <= state_back; end //SCL拉低，如果不應答循環(huán)寫(xiě) default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復位狀態(tài) endcase end
接收單元和寫(xiě)應答單元合并，時(shí)序狀態(tài)設計程序實(shí)現如下：
READ:begin //I2C通信時(shí)序中的讀操作READ和返回ACK的操作 if(cnt <= 3'd6) begin //共需要接收8bit的數據，這里控制循環(huán)的次數 if(cnt_read >= 3'd3) begin cnt_read <= 1'b0; cnt <= cnt + 1'b1; end else begin cnt_read <= cnt_read + 1'b1; cnt <= cnt; end end else begin if(cnt_read >= 3'd7) begin cnt_read <= 1'b0; cnt <= 1'b0; end //復位變量值 else begin cnt_read <= cnt_read + 1'b1; cnt <= cnt; end end case(cnt_read) //按照I2C的時(shí)序接收數據 3'd0: begin scl <= 1'b0; sda <= 1'bz; end //SCL拉低，釋放SDA線(xiàn) 3'd1: begin scl <= 1'b1; end //SCL拉高，保持4.0us以上 3'd2: begin data_r[7-cnt] <= i2c_sda; end //讀取從設備返回的數據 3'd3: begin scl <= 1'b0; end //SCL拉低，準備接收下1bit的數據 //向從設備發(fā)送響應信號 3'd4: begin sda <= ack; end //發(fā)送響應信號，將前面接收的數據鎖存 3'd5: begin scl <= 1'b1; end //SCL拉高，保持4.0us以上 3'd6: begin scl <= 1'b1; end //SCL拉高，保持4.0us以上 3'd7: begin scl <= 1'b0; state <= state_back; end //SCL拉低 default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復位狀態(tài) endcase end
停止時(shí)序狀態(tài)設計程序實(shí)現如下：
STOP:begin //I2C通信時(shí)序中的結束STOP if(cnt_stop >= 3'd5) cnt_stop <= 1'b0; //對STOP中的子狀態(tài)執行控制cnt_stop else cnt_stop <= cnt_stop + 1'b1; case(cnt_stop) 3'd0: begin sda <= 1'b0; end //SDA拉低，準備STOP 3'd1: begin sda <= 1'b0; end //SDA拉低，準備STOP 3'd2: begin scl <= 1'b1; end //SCL提前SDA拉高4.0us 3'd3: begin scl <= 1'b1; end //SCL提前SDA拉高4.0us 3'd4: begin sda <= 1'b1; end //SDA拉高 3'd5: begin sda <= 1'b1; state <= state_back; end //完成STOP操作 default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復位狀態(tài) endcase end
基本單元都有了，接下來(lái)我們需要了解APDS-9901驅動(dòng)的流程，手冊上看到APDS-9901芯片有很多寄存器，有的配置工作模式，有的配置功能使能，有的返回結果數據，這個(gè)需要大家自己查看芯片手冊，這里不作講解。
手冊給用戶(hù)提供了基本功能的C實(shí)例代碼，流程如下：
WriteRegData (0, 0); //Disable and Powerdown
WriteRegData (1, 0xff); // 2.7 ms – minimum ALS integration time
WriteRegData (2, 0xff); // 2.7 ms – minimum Prox integration time
WriteRegData (3, 0xff); // 2.7 ms – minimum Wait time
WriteRegData (0xe, 1); // Minimum prox pulse count
WriteRegData (0xf, 0x20); // CH1 Diode
WriteRegData (0,0x0f); //Enable WEN PEN AEN PON
Wait(12); //Wait for 12 ms
CH0_data = Read_Word(0x14);
CH1_data = Read_Word(0x16);
Prox_data = Read_Word(0x18);
WriteRegData(uint8 reg, uint8 data)
{
m_I2CBus.WriteI2C(0x39, 0x80 | reg, 1, &data);
}
uint16 Read_Word(uint8 reg)
{
uint8 barr[2];
m_I2CBus.ReadI2C(0x39, 0xA0 | reg, 2, ref barr);
return (uint16)(barr[0] + 256 * barr[1]);
}根據手冊提供的軟件操作流程，我們首先有7次向寄存器寫(xiě)入數據的操作，按照時(shí)序
向regaddr地址寄存器中寫(xiě)入數據regdata，程序實(shí)現如下
4'd0: begin state <= START; end //I2C通信時(shí)序中的START 4'd1: begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE; end //設備地址 4'd2: begin data_wr <= reg_addr; state <= WRITE; end //寄存器地址 4'd3: begin data_wr <= reg_data; state <= WRITE; end //寫(xiě)入數據 4'd4: begin state <= STOP; end //I2C通信時(shí)序中的STOP
7次向寄存器寫(xiě)入數據的操作需要7段上面的代碼，羅列起來(lái)程序不易讀，干脆我們將1次寫(xiě)操作做成狀態(tài)機的一個(gè)狀態(tài)，這樣7次向寄存器寫(xiě)入數據的操作只需要在這個(gè)狀態(tài)上循環(huán)執行7次就好了，單詞寫(xiě)操作狀態(tài)程序實(shí)現如下：
MODE1:begin //單次寫(xiě)操作 if(cnt_mode1 >= 4'd5) cnt_mode1 <= 1'b0; //對START中的子狀態(tài)執行控制cnt_start else cnt_mode1 <= cnt_mode1 + 1'b1; state_back <= MODE1; case(cnt_mode1) 4'd0: begin state <= START; end //I2C通信時(shí)序中的START 4'd1: begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE; end //設備地址 4'd2: begin data_wr <= reg_addr; state <= WRITE; end //寄存器地址 4'd3: begin data_wr <= reg_data; state <= WRITE; end //寫(xiě)入數據 4'd4: begin state <= STOP; end //I2C通信時(shí)序中的STOP 4'd5: begin state <= MAIN; end //返回MAIN default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復位狀態(tài) endcase end
同理兩字節數據連讀的操作也做成一個(gè)狀態(tài)
程序實(shí)現如下：
MODE2:begin //兩次讀操作 if(cnt_mode2 >= 4'd10) cnt_mode2 <= 1'b0; //對START中的子狀態(tài)執行控制cnt_start else cnt_mode2 <= cnt_mode2 + 1'b1; state_back <= MODE2; case(cnt_mode2) 4'd0: begin state <= START; end //I2C通信時(shí)序中的START 4'd1: begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE; end //設備地址 4'd2: begin data_wr <= reg_addr; state <= WRITE; end //寄存器地址 4'd3: begin state <= START; end //I2C通信時(shí)序中的START 4'd4: begin data_wr <= (dev_addr<<1)|8'h01; state <= WRITE; end//設備地址 4'd5: begin ack <= ACK; state <= READ; end //讀寄存器數據 4'd6: begin dat_l <= data_r; end 4'd7: begin ack <= NACK; state <= READ; end //讀寄存器數據 4'd8: begin dat_h <= data_r; end 4'd9: begin state <= STOP; end //I2C通信時(shí)序中的STOP 4'd10: begin state <= MAIN; end //返回MAIN default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復位狀態(tài) endcase end
因為用到延時(shí)，也設計成一個(gè)狀態(tài)，程序實(shí)現如下：
DELAY:begin //延時(shí)模塊 if(cnt_delay >= num_delay) begin cnt_delay <= 1'b0; state <= MAIN; end else cnt_delay <= cnt_delay + 1'b1; end
最后我們編程控制狀態(tài)機按照驅動(dòng)例程代碼中流程運行，程序實(shí)現如下：
4'd0: begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h00;reg_data<=8'h00;state<=MODE1; end
4'd1: begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h01;reg_data<=8'hff;state<=MODE1; end
4'd2: begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h02;reg_data<=8'hff;state<=MODE1; end
4'd3: begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h03;reg_data<=8'hff;state<=MODE1; end
4'd4: begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h0e;reg_data<=8'h01;state<=MODE1; end
4'd5: begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h0f;reg_data<=8'h20;state<=MODE1; end
4'd6: begin dev_addr<=7'h39;reg_addr<=8'h80|8'h00;reg_data<=8'h0f;state<=MODE1; end
4'd7: begin state <= DELAY; dat_valid <= 1'b0; end //12ms延時(shí)
4'd8: begin dev_addr <= 7'h39; reg_addr <= 8'ha0|8'h14; state <= MODE2; end
4'd9: begin ch0_dat <= {dat_h,dat_l}; end //讀取數據
4'd10: begin dev_addr <= 7'h39; reg_addr <= 8'ha0|8'h16; state <= MODE2; end
4'd11: begin ch1_dat <= {dat_h,dat_l}; end //讀取數據
4'd12: begin dev_addr <= 7'h39; reg_addr <= 8'ha0|8'h18; state <= MODE2; end
4'd13: begin prox_dat <= {dat_h,dat_l}; end //讀取數據
4'd14: begin dat_valid <= 1'b1; end //讀取數據系統總體實(shí)現
程序中我們做了一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波處理，為了保證數據的有效，將瞬間變化太大的采樣數據舍棄，程序實(shí)現如下：
reg [15:0] prox_dat0,prox_dat1,prox_dat2; always @(posedge dat_valid) begin prox_dat0 <= prox_dat; prox_dat1 <= prox_dat0; if(((prox_dat1-prox_dat0) >= 16'h200)||((prox_dat1-prox_dat0) >= 16'h200)) prox_dat2 <= prox_dat2; else prox_dat2 <= prox_dat0; end
我們從傳感器讀取的距離信息為16位數據，有效范圍Full Scale ADC Counts為0~1023，對應0到16‘h3ff，可以設置一個(gè)閾值，當采樣回來(lái)的數據與閾值比較控制手機屏幕的顯示與否，本實(shí)驗要求用能量條的方式顯示距離的遠近，我們設計一個(gè)編碼器將0到16‘h3ff的范圍控制8個(gè)led燈的控制，程序實(shí)現如下：
always@(prox_dat2[9:7]) case (prox_dat2[9:7]) 3'b000: Y_out = 8'b11111110; 3'b001: Y_out = 8'b11111100; 3'b010: Y_out = 8'b11111000; 3'b011: Y_out = 8'b11110000; 3'b100: Y_out = 8'b11100000; 3'b101: Y_out = 8'b11000000; 3'b110: Y_out = 8'b10000000; 3'b111: Y_out = 8'b00000000; default:Y_out = 8'b11111111; endcase
在頂層設計中例化兩個(gè)模塊，將信號連接，程序實(shí)現如下：
wire dat_valid; wire [15:0] ch0_dat, ch1_dat, prox_dat; APDS_9901_Driver u1( .clk (clk ), //系統時(shí)鐘 .rst_n (rst_n ), //系統復位，低有效 .i2c_scl (i2c_scl ), //I2C總線(xiàn)SCL .i2c_sda (i2c_sda ), //I2C總線(xiàn)SDA .dat_valid (dat_valid ), //數據有效脈沖 .ch0_dat (ch0_dat ), //ALS數據 .ch1_dat (ch1_dat ), //IR數據 .prox_dat (prox_dat ) //Prox數據 ); Decoder u2(.dat_valid (dat_valid ), .prox_dat (prox_dat ), .Y_out (led ) );
綜合后的設計框圖如下：
實(shí)驗步驟
實(shí)驗現象
將設計加載到FPGA，手指在接近光傳感器上下移動(dòng)，觀(guān)察核心板上8個(gè)LED燈的狀態(tài)，APDS-9901還是環(huán)境光傳感器，有興趣的同學(xué)可以嘗試一下其他應用。
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