基于接近式传感器的智能接近系统设计
实验任务
- 任务：智能手机通话，手机靠近耳朵后关闭屏显，基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成智能接近系统设计并观察调试结果
- 要求：驱动底板上的接近式传感器APDS-9901获得接近数据，控制核心板上LED按能量条方式点亮
- 解析：通过FPGA编程驱动接近式传感器APDS-9901，获取接近距离信息，然后根据距离信息编码控制8个LED灯按能量条方式点亮。
实验目的
本节实验主要学习I2C总线工作原理、协议及相关知识，掌握FPGA驱动I2C设备的原理及方法，了解输入输出型端口的模型及控制实现，最终实现智能接近系统的总体设计。
- 熟悉I2C总线工作原理及通信协议
- 完成I2C接口接近式传感器的FPGA驱动
- 完成智能接近系统设计实现
设计框图
根据前面的实验解析我们可以得知，该设计可以拆分成两个功能模块实现，
- APDS9901Driver：接近式传感器APDS-9901芯片I2C总线通信驱动模块。
- Decoder：将距离信息转换成能量条数据。
实验原理
I2C总线介绍
I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。
主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件．在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件．然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下．主机负责产生定时时钟和终止数据传送。
字节格式
发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制。每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位（MSB），如果从机要完成一些其他功能后（例如一个内部中断服务程序）才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线SCL 保持低电平，迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线SCL 后数据传输继续。
启动和停止
在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA上的电平被拉低（即负跳变），定义为I2C总线总线的启动信号，它标志着一次数据传输的开始。启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。启动信号是由主控器主动建立的，在建立该信号之前I2C总线必须处于空闲状态。
在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA被释放，使得SDA返回高电平（即正跳变），称为I2C总线的停止信号，它标志着一次数据传输的终止。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号，停止信号也是由主控器主动建立的，建立该信号之后，I2C总线将返回空闲状态。
应答响应
数据传输必须带响应，相关的响应时钟脉冲由主机产生。在响应的时钟脉冲期间，发送器释放SDA 线（上拉电阻拉高），接收器必须将SDA 线拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平，这种情况下是应答，如果在这个时钟脉冲的高电平期间SDA线没有被拉低则表示没有应答。通常被寻址的接收器在接收到的每个字节后，必须产生一个应答。当从机接收器不应答时，主机产生一个停止或重复起始条件。
通信速率
常见的I²C总线依传输速率的不同而有不同的模式：标准模式（100 Kbit/s）、低速模式（10 Kbit/s），但时钟频率可被允许下降至零，这代表可以暂停通信。而新一代的I2C总线可以和更多的节点（支持10比特长度的地址空间）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模块连接
STEP BaseBoard V3.0底板上的接近光传感器APDS-9901模块电路图如下（上拉电阻未显示）：
上图为接近光传感器APDS-9901模块电路，与FPGA硬件接口有I2C总线（SCL、SDA）和中断信号INT，APDS-9901是博通公司的集成环境光ALS、红外光IR和接近距离传感器，具有体积小、低功耗等优点，被大量应用于手机、笔记本、相机、液晶显示器等电子产品上，环境光ALS可以根据外部环境调节设备屏幕显示亮度，接近距离传感器可以根据应用场景实现产品对应应用，例如接听电话时控制手机关闭显示等，接口采用I2C总线能够支持400KHz的I2C快速模式。
双向端口设计
可综合Verilog模块设计中必须有端口存在，端口有输入input，输出output，双向inout，对于输入和输出型端口我们很好理解，我们来了解一下双向端口信号的处理。
在芯片中为了管脚复用，很多管脚都是双向的，既可以输入也可以输出。在Verilog中即为inout型端口。Inout端口的实现是使用三态门，三态门的第三个状态是高阻态Z。在实际电路中高阻态意味着响应的管脚悬空、断开。
当inout用作输出时，就像平常一样。当inout用作输入时，需要设为高阻态，这样其电平就可以由外部输入信号决定了（这是高阻态的特性）。
双向端口应用案例：
module bid ( input out_en, input a, inout b, output c ); assign b = out_en? a : 1'bz; assign c = b; endmodule
APDS-9901驱动设计
通过前面的了解，我们对于整个I2C总线的驱动原理有了一定的了解，接下来我们根据APDS-9901的芯片手册了解其驱动方法及参数要点。
通过APDS-9901时序参数了解，APDS-9901支持I2C通信400KHz快速模式同时兼容100KHz的标准模式，还有两种模式下时序中的各种时间参数，本例中我们就采用标准模式完成驱动设计。
首先我们分频得到400KHz的时钟，整个设计都基于该时钟完成，程序实现如下：
//使用计数器分频产生400KHz时钟信号clk_400khz reg 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时序可以分解成基本单元（启动、停止、发送、接收、发应答、读应答），整个I2C通信都是由这些单元按照不同的顺序组合，我们设计一个状态机，将这些基本单元做成状态，控制状态机的跳转就能实现I2C通信时序。主机每次发送数据都要接收判断从机的响应，每次接收数据也要向从机发送响应，所以发送单元和读应答单元可以合并，接收单元和写应答单元可以合并。
启动时序状态设计程序实现如下：
START:begin //I2C通信时序中的起始START if(cnt_start >= 3'd5) cnt_start <= 1'b0; //对START中的子状态执行控制cnt_start else cnt_start <= cnt_start + 1'b1; case(cnt_start) 3'd0: begin sda <= 1'b1; scl <= 1'b1; end //将SCL和SDA拉高，保持4.7us以上 3'd1: begin sda <= 1'b1; scl <= 1'b1; end //每个周期2.5us，需要两个周期 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每个周期2.5us，需要两个周期 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 //每个周期2.5us，两个周期 default: state <= IDLE; //如果程序失控，进入IDLE自复位状态 endcase end
发送单元和读应答单元合并，时序状态设计程序实现如下：
WRITE:begin //I2C通信时序中的写操作WRITE和相应判断操作ACK if(cnt <= 3'd6) begin //共需要发送8bit的数据，这里控制循环的次数 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 //复位变量 else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; cnt <= cnt; end end case(cnt_write) //按照I2C的时序传输数据 3'd0: begin scl <= 1'b0; sda <= data_wr[7-cnt]; end //SCL拉低，SDA输出 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每个周期2.5us，需要两个周期 3'd3: begin scl <= 1'b0; end //SCL拉低，准备发送下1bit的数据 //获取从设备的响应信号并判断 3'd4: begin sda <= 1'bz; end //释放SDA线，准备接收从设备的响应信号 3'd5: begin scl <= 1'b1; end //SCL拉高，保持4.0us以上 3'd6: begin ack_flag <= i2c_sda; end //获取从设备的响应信号 3'd7: begin scl <= 1'b0; if(ack_flag)state <= state; else state <= state_back; end //SCL拉低，如果不应答循环写 default: state <= IDLE; //如果程序失控，进入IDLE自复位状态 endcase end
接收单元和写应答单元合并，时序状态设计程序实现如下：
READ:begin //I2C通信时序中的读操作READ和返回ACK的操作 if(cnt <= 3'd6) begin //共需要接收8bit的数据，这里控制循环的次数 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 //复位变量值 else begin cnt_read <= cnt_read + 1'b1; cnt <= cnt; end end case(cnt_read) //按照I2C的时序接收数据 3'd0: begin scl <= 1'b0; sda <= 1'bz; end //SCL拉低，释放SDA线 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 //读取从设备返回的数据 3'd3: begin scl <= 1'b0; end //SCL拉低，准备接收下1bit的数据 //向从设备发送响应信号 3'd4: begin sda <= ack; end //发送响应信号，将前面接收的数据锁存 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，进入IDLE自复位状态 endcase end
停止时序状态设计程序实现如下：
STOP:begin //I2C通信时序中的结束STOP if(cnt_stop >= 3'd5) cnt_stop <= 1'b0; //对STOP中的子状态执行控制cnt_stop else cnt_stop <= cnt_stop + 1'b1; case(cnt_stop) 3'd0: begin sda <= 1'b0; end //SDA拉低，准备STOP 3'd1: begin sda <= 1'b0; end //SDA拉低，准备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，进入IDLE自复位状态 endcase end
基本单元都有了，接下来我们需要了解APDS-9901驱动的流程，手册上看到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，有的返回结果数据，这个需要大家自己查看芯片手册，这里不作讲解。
手册给用户提供了基本功能的C实例代码，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]); }
根据手册提供的软件操作流程，我们首先有7次向寄存器写入数据的操作，按照时序
向regaddr地址寄存器中写入数据regdata，程序实现如下
4'd0: begin state <= START; end //I2C通信时序中的START 4'd1: begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE; end //设备地址 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 //写入数据 4'd4: begin state <= STOP; end //I2C通信时序中的STOP
7次向寄存器写入数据的操作需要7段上面的代码，罗列起来程序不易读，干脆我们将1次写操作做成状态机的一个状态，这样7次向寄存器写入数据的操作只需要在这个状态上循环执行7次就好了，单词写操作状态程序实现如下：
MODE1:begin //单次写操作 if(cnt_mode1 >= 4'd5) cnt_mode1 <= 1'b0; //对START中的子状态执行控制cnt_start else cnt_mode1 <= cnt_mode1 + 1'b1; state_back <= MODE1; case(cnt_mode1) 4'd0: begin state <= START; end //I2C通信时序中的START 4'd1: begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE; end //设备地址 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 //写入数据 4'd4: begin state <= STOP; end //I2C通信时序中的STOP 4'd5: begin state <= MAIN; end //返回MAIN default: state <= IDLE; //如果程序失控，进入IDLE自复位状态 endcase end
同理两字节数据连读的操作也做成一个状态
程序实现如下：
MODE2:begin //两次读操作 if(cnt_mode2 >= 4'd10) cnt_mode2 <= 1'b0; //对START中的子状态执行控制cnt_start else cnt_mode2 <= cnt_mode2 + 1'b1; state_back <= MODE2; case(cnt_mode2) 4'd0: begin state <= START; end //I2C通信时序中的START 4'd1: begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE; end //设备地址 4'd2: begin data_wr <= reg_addr; state <= WRITE; end //寄存器地址 4'd3: begin state <= START; end //I2C通信时序中的START 4'd4: begin data_wr <= (dev_addr<<1)|8'h01; state <= WRITE; end//设备地址 4'd5: begin ack <= ACK; state <= READ; end //读寄存器数据 4'd6: begin dat_l <= data_r; end 4'd7: begin ack <= NACK; state <= READ; end //读寄存器数据 4'd8: begin dat_h <= data_r; end 4'd9: begin state <= STOP; end //I2C通信时序中的STOP 4'd10: begin state <= MAIN; end //返回MAIN default: state <= IDLE; //如果程序失控，进入IDLE自复位状态 endcase end
因为用到延时，也设计成一个状态，程序实现如下：
DELAY:begin //延时模块 if(cnt_delay >= num_delay) begin cnt_delay <= 1'b0; state <= MAIN; end else cnt_delay <= cnt_delay + 1'b1; end
最后我们编程控制状态机按照驱动例程代码中流程运行，程序实现如下：
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延时 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 //读取数据 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 //读取数据 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 //读取数据 4'd14: begin dat_valid <= 1'b1; end //读取数据
系统总体实现
程序中我们做了一个简单的滤波处理，为了保证数据的有效，将瞬间变化太大的采样数据舍弃，程序实现如下：
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
我们从传感器读取的距离信息为16位数据，有效范围Full Scale ADC Counts为0~1023，对应0到16‘h3ff，可以设置一个阈值，当采样回来的数据与阈值比较控制手机屏幕的显示与否，本实验要求用能量条的方式显示距离的远近，我们设计一个编码器将0到16‘h3ff的范围控制8个led灯的控制，程序实现如下：
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
在顶层设计中例化两个模块，将信号连接，程序实现如下：
wire dat_valid; wire [15:0] ch0_dat, ch1_dat, prox_dat; APDS_9901_Driver u1( .clk (clk ), //系统时钟 .rst_n (rst_n ), //系统复位，低有效 .i2c_scl (i2c_scl ), //I2C总线SCL .i2c_sda (i2c_sda ), //I2C总线SDA .dat_valid (dat_valid ), //数据有效脉冲 .ch0_dat (ch0_dat ), //ALS数据 .ch1_dat (ch1_dat ), //IR数据 .prox_dat (prox_dat ) //Prox数据 ); Decoder u2( .dat_valid (dat_valid ), .prox_dat (prox_dat ), .Y_out (led ) );
综合后的设计框图如下：
实验步骤
- 双击打开Quartus Prime工具软件；
- 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目录选择，设备型号选择，EDA工具选择）；
- 新建文件：File → New → Verilog HDL File，键入设计代码并保存；
- 设计综合：双击Tasks窗口页面下的Analysis & Synthesis对代码进行综合；
- 管脚约束：Assignments → Assignment Editor，根据项目需求分配管脚；
- 设计编译：双击Tasks窗口页面下的Compile Design对设计进行整体编译并生成配置文件；
- 程序烧录：点击Tools → Programmer打开配置工具，Program进行下载；
- 观察设计运行结果。
实验现象
将设计加载到FPGA，手指在接近光传感器上下移动，观察核心板上8个LED灯的状态，APDS-9901还是环境光传感器，有兴趣的同学可以尝试一下其他应用。
