第7章EDA技术应用实例

第7章EDA技术应用实例7.1温湿度自动监控系统设计7.2 电机传动控制模拟系统设计7.3自动售货机控制系统设计7.4 多功能音乐播放器设计目录设计7.1 温湿度自动监控系统设计温湿度自动监控广泛应用于工业生产、农业生产以及仓储、居家等多种场合的环境监测中，对于节约能源、提高生产效率和产品质量、提高人体舒适度等都具有重要意义。

7.1.1系统设计方案温湿度自动监控系统基于FPGA开发板KX-2C5F设计实现，核心硬件包括FPGA、传感器和显示报警机构。

系统能够自动检测室内温度和湿度，并且显示所测温湿度；给出温度与湿度的阈值，将检测数据与阈值数据比对，在设定范围内给出正常信号，否则给出报警信号（灯光或声音），无线通信部分本次设计不涉及。

温湿度传感器选用DHT11数字温湿度传感器，显示器件采用点阵型液晶屏LCD12864。

系统框图如图7.1所示。

设计图7.1温湿度自动监控系统框图温湿度传感器FPGA声光报警液晶显示无线通信温湿度物理量7.1.2 湿温度数据采集的控制——DHT11的驱动DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它综合应用了数据采集技术和温湿度传感技术，传感器内置模数转换器，直接将温度和湿度模拟量在内部转换成数字量，并且串行输出40bit 数据，依次是8bit （湿度整数部分）+8bit （湿度小数部分）+8bit(温度整数部分)+8bit(温度小数部分)+8bit(校验和)。

本设计要求只读取温湿度的整数部分。

设计1.设计方案在接收DHT11转换数据时，需要将传感器输出的40位串行数据存储为并行数据，然后转化为摄氏温度值和相对湿度百分比的BCD码进行输出。

串行数据并行存储到寄存器的思路是，每读取一次数据，就将用于存放数据的位矢循环左移，直至全部移入。

设计采用状态机模拟FPGA与DHT11之间的通讯与同步，由于DHT11是单总线传感器，对时序的操作只在一根总线上完成，为了确保数据读取的完整和可靠，就必须严格遵循单总线协议。

DHT11的工作时序如图7.2所示，DHT11控制器在工作之初，首先至少将电平拉低18ms，然后拉高20-40us后等待DHT11的应答；当DHT11检测到信号后，首先将总线拉低约80us然后再拉高80us作为应答信号，工作时序如图7.2(a)所示。

传输数字0时，DHT11拉低总线50us，然后再拉高26us~28us，时序如图（b）所示。

传输数字1时，DHT11拉低总线50us，然后再拉高70us，时序如图（c）所示。

设计1.设计方案在接收DHT11转换数据时，需要将传感器输出的40位串行数据存储为并行数据，然后转化为摄氏温度值和相对湿度百分比的BCD码进行输出。

串行数据并行存储到寄存器的思路是，每读取一次数据，就将用于存放数据的位矢循环左移，直至全部移入。

设计采用状态机模拟FPGA与DHT11之间的通讯与同步，由于DHT11是单总线传感器，对时序的操作只在一根总线上完成，为了确保数据读取的完整和可靠，就必须严格遵循单总线协议。

DHT11的工作时序如图7.2所示，DHT11控制器在工作之初，首先至少将电平拉低18ms，然后拉高20-40us后等待DHT11的应答；当DHT11检测到信号后，首先将总线拉低约80us然后再拉高80us作为应答信号，工作时序如图7.2(a)所示。

传输数字0时，DHT11拉低总线50us，然后再拉高26us~28us，时序如图（b）所示。

传输数字1时，DHT11拉低总线50us，然后再拉高70us，时序如图（c）所示。

设计（a ）DHT11的工作时序(一)（b ）DHT11的工作时序(二)单总线主机至少拉低18ms主机拉高20-40usDHT 拉高80usDHT 响应信号80us 开始传送数据主机信号DHT 信号主机信号DHT 信号VCCGND1bit 开始50us26-28us 表示‘0’下一bit 开始设计（c ）DHT11的工作时序（三）图7.2 DHT11的工作时序图主机信号DHT 信号VCC1bit 开始50us70us 表示‘1’下一bit 开始2.主要程序代码……ENTITY dht11 ISPORT(clk:IN STD_LOGIC; --1us 时钟dht:INOUT STD_LOGIC; --单总线双向端口设计var1,var2,var3,var4:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);--湿度整数部分的十位和个位，温度整数部分的十位和个位h0,t0:OUT STD_LOGIC ); --湿度、温度超限报警信号END dht11;ARCHITECTURE caiji OF dht11 ISTYPE s1 IS(state0,state1,state2,state3,state4,state5,state6,state7,state8,state9,state10,state 11,state12);SIGNAL cs1:s1;SIGNAL output,output1:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); --湿度和温度信号SIGNAL dht11_buf:STD_LOGIC_VECTOR(39 DOWNTO 0); --40位数据的寄存器SIGNAL data_out,data_in:STD_LOGIC;SIGNAL data_out_en:STD_LOGIC; --使能控制设计BEGINvar1<=output(7 downto 4);var2<=output(3 downto 0);var3<=output1(7 downto 4);var4<=output1(3 downto 0);data_in <= dht;--双向端口dht读写控制dht <= data_out WHEN data_out_en = '1' ELSE'Z';PROCESS(clk)variable cnt:integer range 0 to 2000000:=0;variable rec:integer range 0 to 50:=0;BEGINIF rising_edge(clk) THEN设计CASE cs1 ISWHEN state0=>IF(cnt>=0 AND cnt<2000000) THEN --每2s读取一次数据data_out_en<='1';data_ out <='1';cnt:=cnt+1;ELSEcnt:=0;cs1<=state1;END IF;WHEN state1=>IF(cnt>=0 AND cnt<18000) THEN --拉低总线至少18msdata_ out _en<='1';data_ out <='0';cnt:=cnt+1;ELSEcnt:=0;cs1<=state2;END IF;设计WHEN state2=>IF(cnt>=0 AND cnt<20) THEN --释放总线20usdata_ out _en <='0';cnt:=cnt+1;cs1<=state2;ELSEcnt:=0;cs1<=state3;END IF;WHEN state3=>IF(data_in='1') THEN --判断是否有响应信号cs1<=state3;ELSEcs1<=state4;END IF;WHEN state4=>IF(data_in='0') THEN --dht11拉低总线cs1<=state4;ELSEcs1<=state5;END IF;设计WHEN state5=>IF(data_in='1') THEN --dht11拉高总线cs1<=state5;ELSEcs1<=state6;END IF;WHEN state6=>IF(data_in='0') THEN --50us低电平开始cs1<=state6;ELSEcs1<=state7;END IF;WHEN state7=>IF(data_in='1') THEN --进入高电平cs1<=state8;END IF;WHEN state8=>IF(cnt>=0 AND cnt<50) THEN --等待50uscnt:=cnt+1;cs1<=state8;设计ELSEcnt:=0;cs1<=state9;END IF;WHEN state9=>IF(data_in='1') THEN --根据高电平维持时间判断读取是0还是1dht11_buf(0)<='1';ELSEdht11_buf(0)<='0';END IF;cs1<=state12;rec:=rec+1;WHEN state12=>IF(rec>=40) THEN --判断40位数据是否已经读取完毕cs1<=state0;rec:=0;dht11_out<=dht11_buf;设计ELSEdht11_buf<=dht11_buf(38 DOWNTO 0) & dht11_buf(39);--循环左移，依次存储串行数据IF(data_in='1') THENcs1<=state10;ELSEcs1<=state11;END IF;END IF;WHEN state10=>IF(data_in='1') THEN--等待1信号由高电平变为低电平，进入下一次判断cs1<=state10;ELSEcs1<=state11;END IF;WHEN state11=>IF(data_in='0') THEN --回到低电平等待状态cs1<=state11;ELSEcs1<=state8;END IF;设计WHEN others=>cs1<=state0;END CASE;END IF;END PROCESS;WITH dht11_buf(39 DOWNTO 32) SELECT--将读取到二进制湿度整数部分转换成对应BCD码（DHT11的湿度测量范围是20%-90%，精度±5，本设计取20%-75%。