探索和探索常用的通信协议：
5.温度传感器实时采集温度
这些传感器模块，如温度传感器、重力传感器等，在生活中得到了广泛的应用，但平时可能不注意观察。例如，在现实中，我们经常使用的平板电脑或电子书阅读器具有自动旋转功能。事实上，它使用重力传感器和硬件上的重力传感器来检测当前用户使用设备的SOC软件上有一个信号，然后根据信号改变屏幕的旋转角度。同样的温度传感器也被广泛使用，因为现在许多嵌入式产品具有温度显示或温度检测功能，这里无疑将使用温度传感器实时收集当前设备的温度，其中典型的是：LM75和DS18B它们是实际应用最多的两种温度传感器。
如图1所示，豌豆开发板配有一个NXP原装的LM同时，75温度传感器LM75也是一款支持IIC在这个例程中读取通信外设LM我们目前的采样温度，我们的采样温度verilog实现IIC底层时序逻辑，IIC实际工作中常用的通信协议，相信大家在学习实践了这个例程之后，一定能触类旁通，举一反三地完成后续例程的相关设计。
图1 豌豆开发板Artix7上LM75电路
IIC（Inter－Integrated Circuit）总线是一种由PHILIPS公司在20世纪80年代开发的两线串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是典型的半双工通信方式，IIC总线有两条双向信号线和一条数据线SDA收发数据，一根时钟线SCL如图2所示，时钟的同步，如图2所示IIC总线的硬件拓扑结构，在一般情况下硬件上对于SDA和SCL都会连接4.7K或10K上拉电阻。
图2 IIC硬件拓扑结构的总线
对于IIC虽然总线协议属于低速总线，但相对于UART和SPI相对复杂，作者在学校学习这部分，读了很多相关教程，这也模糊，随着工作的积累，工作后的实践慢慢明确IIC通信原理和底层逻辑，笔者在这里把对IIC总线协议的总结和理解与您详细分享。
IIC由于其总线硬件结构简单，成本低，在各个领域得到了广泛的应用。IIC 标准速率为 100kbit/s，快速模式为400kbit/s，多主机总线连接在一起IIC总线上的设备分为主机和从机器，主机有权启动和结束通信，而从机器只能由主机呼叫；当多个主机同时启动总线时，IIC它还具有防止错误的冲突检测和仲裁功能；每个连接IIC总线上的设备都有唯一的地址(7bit)，而且每个设备都可以作为主机或从机，但同时只能有一个主机，总线上设备的增加和删除不影响其他设备的正常运行；IIC通信时，总线上发送数据的装置是发送器，接收数据的装置是接收器，如下图3所示IIC通信示意图总线。
图3 IIC总线通信示意图
如图4所示是IIC总线从机寻址示意图，IIC总线上的数据传输是广义的，包括地址和数据。主机启动信号后，主机必须首先发送字节数据。数据的高7位为从机地址，最低位为后续字节的传输方向，其中0位为主机发送数据，1位为主机接收数据；总线上所有从机接收到字节数据后，将7位地址与自己的地址进行比较。如果是一样的，他们认为自己被主机找到了，然后根据第8位将自己定为发送器或接收器。
图4 IIC总线从机寻址示意图
如图5所示，非常生动地说明IIC总线的起始信号S和终止信号P的电平变化，SCL高电平时，SDA起始信号由高到低表示，SCL高电平时，SDA停止信号由低变高表示，起始信号和停止信号由主机发出，起始信号产生后总线处于占用状态，停止信号产生后，总线处于空闲状态。
图5 IIC总线起始信号S和终止信号P示意图
如图6所示是IIC总线主从机响应示意图，IIC当总线通信时，每个字节为8位长度。当数据传输时，首先传输到最高水平，然后传输到较低水平。发送器发送一个字节数据后，接收器必须发送一个响应位置来响应发送器，即一帧9位。
图6 IIC总线主从机应答示意图
如图7所示是IIC总线数据保持和建立时间示意图，IIC当总线传输数据时，时钟线SCL发送器在低电平期间向数据线发送数据，在此期间，数据线上的信号允许变化，时钟线SCL从数据线上读取高电平接收器的数据，在此期间，数据线上的信号不允许变化，必须保持稳定。
图7 IIC总线数据保持和建立时间示意图
结合以上具体说明，我们可以IIC总线通信流程及寻址方式总结如下：
1.主机发送启动信号启用总线；
2.主机发送一个字节数据指明从机地址和后续字节的传送方向；
3.从机发送回应信号回应主机；
4.发送器发送字节数据；
5.接收器发送响应信号响应发送器；
… … (循环步骤4、5)
n.通信完成后，主机发送停止信号释放总线
也许有些学生在阅读了上面的解释和介绍后仍然是对的IIC总线协议有些不太懂，所以下面作者就画图做更详细的说明，如图8、9、10所示是典型的IIC阴影部分表示数据从主机传输到从机，无阴影部分表示数据从机器传输到主机，A表示应答，A非表示非应答，S表示起始信号，P这意味着终止信号，图片非常直观和清晰，与上述总结相比很容易理解，所以这里没有重复，如果仍然有问题，那么请学习和练习这个例程后自然会理解。
图8 IIC总线主机向从机发送数据示意图
图9 IIC总线从机器到主机发送数据示意图
图10 IIC总线主机先向从机发送数据，然后从机再向主机发送数据示意图
在熟悉了IIC总线通信的底层逻辑后，我们回过头来再阅读NXP的LM75芯片手册，把对于FPGA设计上的有效信息提取出来，这时候结合实例，回顾前面介绍的IIC总线协议知识就更容易加深理解了。
如图11所示是LM75的地址定义说明，正如前面所说，IIC总线上每个设备都有唯一的标识地址，这里手册写得很清楚对于LM75的7位地址，高4位固定是4 'b 1001，而对于低3位则有A2、A1、A0决定，如果在PCB板上连接到GND是逻辑0，如果连接到VCC是逻辑1，在原理图中我们把LM75的三个引脚都接GND了，所以LM75的7位地址是7 'b 1001000，然后大家需要注意在IIC通信过程中主机发送地址时，前7位是从机的物理地址，最后1位是0表示主机发送数据，1表示主机接收数据，在这个例程中我们需要对LM75读取采集温度数据，所以主机发送地址的应该是8'b10010001。
图11 LM75的地址定义说明
如图12所示是LM75中对MSB和LSB数据的定义，手册里标明了温度传感器的有效最低分辨率是0.125摄氏度，MSB的8位和LSB的前3位共同组成了一个11位的有效采集数据，而这个数据即是当前温度值的补码，所谓补码即正数的补码是它本身，负整数的补码是符号位不变，其余位按位取反加一！
图12 LM75中对MSB和LSB数据的定义
进一步地，如图13所示是LM75的温度采集数据解析示意图，举例说明11位的采集数据应该怎么计算，再具体折合成当前的温度值，感兴趣的同学可以把表中的例子动手算一算，其实说到底当前的温度值即上述11位的有效采集数据取原码值再乘以0.125即可。
图13 LM75的温度采集数据解析示意图
如图14所示是LM75读温度采集值的IIC时序逻辑图，LM75也有几种不同类型的IIC读写逻辑，感兴趣的同学可以仔细深入研究下芯片手册，当然下面这种用法是LM75最普遍的读取方式，介绍到这里大家不妨可以回过头看一看这和前面的图2-27的IIC总线通信时序图恰好完全吻合，即IIC总线主机先向从机发送数据，然后从机再向主机发送数据。
图14 LM75读温度采集值的IIC时序逻辑图
在详细说明IIC总线协议的通信细节，以及提取LM75温度传感器的有效信息后，下面就到了具体编码的环节，在这个例程中我们实现如下功能：每次用户按下豌豆开发板按键，即会触发一次LM75采集当前温度的动作，FPGA再把LM75采集到的温度数据从BCD码转换成ASCII码，最后通过RS232打印到上位机串口助手上显示。
这里需要两个核心模块即i2c_lm75和lm75bcd_ascii，前者是LM75的IIC读取控制模块，后者是将LM75读取后的MSB和LSB组成的16位数据转换成对应温度的ASCII码模块，如表1和2所示是两个模块的信号列表，下面简要说明两个模块的核心设计内容。
| 信号列表 |
||
| 信号名 |
I/O |
位宽 |
| clk |
I |
1 |
| rst_n |
I |
1 |
| lm75_en |
I |
1 |
| i2c_sda |
I/O |
1 |
| i2c_scl |
O |
1 |
| lm75_dout |
O |
16 |
| lm75_dout_vld |
O |
1 |
表1 i2c_lm75模块信号列表
| 信号列表 |
||
| 信号名 |
I/O |
位宽 |
| clk |
I |
1 |
| rst_n |
I |
1 |
| din |
I |
16 |
| din_vld |
I |
1 |
| lm75_fifo_rdy |
I |
1 |
| lm75_ascii_dout |
O |
8 |
| lm75_ascii_dout_vld |
O |
1 |
表2 lm75bcd_ascii模块信号列表
对于i2c_lm75模块，需要在这里介绍FPGA中对三态门的设计，典型地如IIC，MDIO等等接口，对于FPGA来说是inout信号，即是输出信号同时也是输入信号，一般性的设计方法即是用dir信号区分，dir信号为高对于FPGA表示输出，dir信号为低对于FPGA表示输入。如下图15所示是FPGA控制IIC总线的三态门示意图，通过i2c_sda_dir信号控制i2c_sda_out和i2c_sda_in信号作为FPGA的输出和输入，再连接到外围器件的i2c_sda上，这样设计也简化了代码的逻辑，提高了代码的可读性。
图15 FPGA控制IIC总线的三态门示意图
如图16所示是LM75读取温度采集数据的状态机，模块中选取SCL是250Khz时钟，大家回过头对照前面的说明，就可以非常清晰地理解整个模块的状态机设计思想了，在这里不再赘述了，LM75的IIC读取控制模块的整体代码设计如图17所示，搞清楚逻辑后，就非常容易理解。
图16 LM75读温度采集数据的状态机
图17 IIC读取LM75采样温度模块的代码设计
在lm75bcd_ascii模块中，我们需要把从LM75读到的MSB+LSB组成的16位数据转化成ASCII码，通过前面阅读LM75数据手册，大家了解到这16位数据，只有前11位是有效的，其中最高位0代表温度为正值，1代表温度为负值，同时如果是负值则需要把当前温度值取补码再做计算，最后把10位的采集数据值乘0.125摄氏度，即为当前采样温度值，考虑到是乘0.125即除8的关系，所以在模块设计中笔者需要对已经取补码后的10位的lm75_value值再做处理：前7位直接作为整数位，这样就完成了右移3位即除8的效果，后3位作为小数位将其转化成0、125、250、375、500、675、750、875，然后整数位百位、十位、个位逐位取整并转换成ASCII 码，同样的小数位也第一位、第二位、第三位逐位取整并转换成ASCII码，温度正负号、小数点前三位、小数点、小数点后三位、回车行组成72位9个ASCII码写入FIFO中，下游的串口发送模块再把FIFO中的数据打印到上位机的串口调试助手上，如图18所示是该模块的代码设计，供大家参考。
图18 BCD码转ASCII码模块的代码设计
如图19所示是温度传感器实时采集温度顶层文件的例化，大家把各个模块之间的相关信号例化到一起即可，这里key_scan和uart_transfer模块在前面的例程中已经详细说明，忘记的同学可以回过头复习下，笔者也在工程里加入了ILA方便大家上板观察信号波形，如图20所示是该例程的上板现象，按下豌豆开发板按键，即可触发一次LM75采集温度，再转换成ASCII码打印到串口助手上显示。
图19 温度传感器实时采集温度顶层文件的例化
图20 串口调试助手打印温度采集值
源工程代码下载链接(含datasheet)：
链接：https://pan.baidu.com/s/1pxKyQ5hSkqMApxkb0OhMfw 提取码：54es