i2c温度传感器：IIC实现温度传感器（TMP1XX,LM75X）测量与显示

类型分类：: 科普知识

数据分类：: 温度传感器

i2c温度传感器：IIC实现温度传感器（TMP1XX,LM75X）测量与显示

发布日期：2022-10-09 点击率：1368

i2c温度传感器：IIC实现温度传感器（TMP1XX,LM75X）测量与显示

IIC调试学习

由于项目要用到温度传感器，所以就挑选了TI的一款温度传感器Tmp102，这款温度传感器和TI的很多温度传感器都类似，比如Tmp112，lm75，lm75a等。这款温度传感器所用到的通信方式为IIC，之前仅仅了解过IIC并没有进行实际的操作，借着这个机会进行实际的IIC运用和学习。
其中IIC的基础知识点就不详细说明了，想要进行IIC的编程和学习，首先学习的应该是他的基本知识，只有知道了他的基础知识才能够进行有条不紊的应用。

我用的单片机是STM32F103ZET6，IIC为软件的形式是实现

IIC协议软件实现
产生开始信号

2.产生停止信号

3.主机等待从机应答

4.主机不产生应答

5.主机产生应答

6.IIC发送一个字节

6.IIC读一个字节

温度传感器实现
1.温度传感器初始化

2.温度传感器读取一个字节

3.温度传感器读取一个字

4.写入一个字节

5.写入一个字

主函数

实际测试效果

图片:

代码下载
链接: //download.csdn.net/download/little_ox/.
i2c温度传感器：IIC实现温度传感器（TMP1XX,LM75X）测量与显示第1张

i2c温度传感器：linux下的I2C温度传感器应用

需求：
? 读嵌入式温度传感器的值。

已知条件：
*温度传感器已经在主板上焊好了。
*温度传感器型号为lm75
*linux自带驱动，在linux-2.6.20.21/drivers/hwmon/lm75.c
*温度传感器的电路

问题与解答：
＊linux自带的驱动怎么用的？

看lm75.c的代码，发现此温度传感器用的是I2C的总线。
代码中看到i2c驱动的接口定义如下，和以前做过的字符型驱动的接口不一样。
static struct i2c_driver lm75_driver = {
.driver = {
.name = "lm75",
},
.id = I2C_DRIVERID_LM75,
.attach_adapter = lm75_attach_adapter,
.detach_client = lm75_detach_client,
};

在linux Device Driver这本书中搜，在此书中无介绍。

讲得还不错。尤其是后者对路。I2C在读主板上的传感器的应用上应用比较多，但它是在比较新的版本的LINUX内核版本中才加进来的，难怪LDD这本书中没有讲了。

再看上面数据结构中的回调函数，具体干什么就比较清楚了。根据函数内容得知，驱动在加载的时候会自动检测I2C总线上的设备，因此会自动发现温度传感器。lm75_update_device（）是对温度传感器进行轮询读数时用的函数。

根据文章指引，看设备的/sys/bus/i2c/。下面已经有了lm75传感器的数据，直接读是有数据的，而且数据会变化，如下：

root:~# cat /sys/bus/i2c/devices/0-0048/temp1_input
-

*读数为负。什么样的读数才是正常的？
在驱动代码里增加了调试信息，打印出传感器上读的寄存器的值，和文件系统上读出的不一样。
看 linux-2.6.20.21/documentation/hwmon/lm75，了解到lm75是一个工业标准。所以linux里的lm75驱动是支持多种温度传感器的。

看了一下板子上的芯片，是lm75A.在网上下载了一个datasheet，上面显示一共9-bit来控制读数。头位为正负，后面8-bit为值。
在驱动代码里添加调试信息，只打印寄存器值的后8-bit，放到温度实验箱里测试的结果看起来满合理的。
@drivers/base/sys.c
static ssize_t
sysdev_show(struct kobject * kobj, struct attribute * attr, char * buffer)
{
struct sys_device * sysdev = to_sysdev(kobj);
struct sysdev_attribute * sysdev_attr = to_sysdev_attr(attr);
if (sysdev_attr->show)
return sysdev_attr->show(sysdev, buffer);
return -EIO;
}

?static DEVICE_ATTR(temp1_input, S_IRUGO, show_temp_input, NULL);
?

struct device_attribute {
struct attribute attr;
ssize_t (*show)(struct device *dev, struct device_attribute *attr,
char *buf);
ssize_t (*store)(struct device *dev, struct device_attribute *attr,
const char *buf, size_t count);
};
#define show(value) /
static ssize_t show_##value(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf) /
{ /
struct lm75_data *data = lm75_update_device(dev); /
return sprintf(buf, "%d/n", LM75_TEMP_FROM_REG(data->value)); /
///sys/bus/i2c/devices/0-0048/temp1_input里面的东西就是通过上面打印到buffer中去的
}
show(temp_input);

? show_temp_input); //@ show_##value()?

lm75_update_device(dev);?

然后把内核的lm75.h的代码修正（只读后面8个比特并根据大小判断正负），测试通过。

i2c温度传感器：开发板温度传感器

上一篇教程挖了一个NEXYS4 开发板中MicroSD的天坑，发现难度过高，打算放到之后再完成，这一篇来电不这么重口味的温度传感器配置。在NEXYS 4开发板上的温度传感器使用的是I2C接口，这个接口很常见，可以写一个模块留着以后使用

FPGA基础入门【15】开发板I2C温度传感器配置
开发板温度传感器I2C接口简介ADT7420简介寄存器
逻辑设计I2C控制模块UART串口控制模块顶层逻辑
模拟仿真Testbench仿真脚本仿真结果
编译测试结果
总结

开发板温度传感器
NEXYS 4文档中写着它使用的温度传感器名字是Analog Device ADT7420，提供16位精度，一般精确到0.25摄氏度，用I2C接口和FPGA连接如下：

SCL和SDA是I2C接口，用来和FPGA连接。可以看到它只有两根线，非常精简，一般用来和不太复杂的外围设备连接。并且它还有地址识别，因此1个master设备可以同时和多个slave设备相连。剩下两条线表示温度溢出（过高或者过低），以及温度高到有危险的程度。

ADT7420的文档链接：ADT7420

I2C接口简介
从ADT7420的文档中读到，它的时钟需求是400kHz以下，我们采用200kHz，需要把系统时钟100MHz减慢500倍

和这款芯片相关的I2C的时序如下：
写单字节数据

写双字节数据：

从配置寄存器中读取数据：

读取温度数据：

在SCL为高电平时，拉低SDA是开始信号在SCL为高电平时，拉高SDA是结束信号Master设备在读回信号的最后传出低电平表示，再来一个，高电平表示，够了够了不用再传了
从这个时序图看出，I2C读写控制参数有四个：读写控制、寄存器地址、读写数据长度、写的8位数据（每完成一次输出就更新一次）

ADT7420简介
网上很多Arduino用的温度传感器模块用的就是这款芯片，引脚如下：

其中SCL和SDA是和FPGA相连的I2C接口，CT和INT是临界温度警告，VDD和GND是电源和接地，A0和A1是低地址位，在芯片较少时可以直接通过连线来同时连接几个芯片。

NEXYS 4文档中说要制定slave地址0x4B来和传感器通信，通过前面的I2C接口介绍可以看出，开发板把A0和A1两个引脚都拉高了。

ADT7420在上电后会自动进入简单温度传感器模式，不需要初始化配置。设备地址寄存器一开始被指向温度数据的高位MSB，因此不用制定地址读出来的第一个字节就是温度的MSB，第二个字节是LSB，组成需要的16位结果。因此上面的时序图中读取温度的两步，如果一开始没有做别的操作，可以把写地址省略。把16位结果右移3位，再除以16，就可以得到摄氏温度

寄存器
ADT7420的寄存器全家福及其默认值如下：

这里我们只关注温度高低位、状态和配置四个寄存器

温度高低位：

状态寄存器，复位后要先等这个寄存器的最高位变成0：

配置寄存器：

逻辑设计
首先需要一个I2C的控制逻辑模块I2C_transmitter.v，然后就可以配置一个串口控制器，随时读取寄存器与数据。这里我们把之前做过的串口模块集成一下，加个FIFO以便之后再使用

这次的代码比较长，要把之前做过的一些东西做个综合

I2C控制模块
从前面的I2C时序逻辑可以分析，定义一段I2C数据传输参数有这么几个：寄存器地址、读写选择、读写长度、需要写入的8位数据。

新建一个代码文件I2C_transmitter.v，代码如下：

顶层接口配置，前面分析过I2C必要参数，还需要一些其他的控制信号

设备地址dev_addr，这个应该连到固定值0x4B读写控制rdh_wrl，高电平代表读，低电平代表写寄存器地址reg_addr操作准备信号ready，它的上升沿代表数据准备完成，可以进行I2C传输输出8位数据dout传输长度dout_length输出确认dout_ack，表示一个byte已经输出完成，可以更新到下一个byte输入8位数据din输入准备信号din_valid，每当此信号升高，就有一个byte输入在din接口准备好

生成I2C接口需要的100kHz时钟，用I2C_SCL_en来使能控制

实时监测SCL的上升沿和下降沿，由于SDA是双向的信号，读的时候用上升沿，写的时候用下降沿，经常需要切换

探测ready信号的上升沿以开始I2C传输

状态机配置

侦测到ready上升沿，在SCL为高的情况下拉低SDA表示开始（Start by master），这也就是SCL生成器在复位情况下为高的原因

输出设备地址0x4B，带上最低位为1表示写入，经历9个时钟周期，最后一个上升沿观察设备是否传回一个ack信号

写入寄存器地址，根据读写控制信号进入读流程或者写流程

当需要读数据时，需要再次进行Start by master，拉高SDA后，在SCL的高电平时拉低SDA

读流程还需要再写一次设备地址，并把最后一位改成高电平以表示读取

写操作，将一个byte输出给设备，获得ack信号后计算是否已经输出到指定长度，如果已经达到则进入结束流程

读操作，从设备读取一个byte后，如果还没有读取足够数据，则在第九个时钟周期输出一个低电平作为ack信号，否则输出一个高电平作为no ack信号，表示master已经读取了足够的数据

结尾操作，关闭SCL生成器，在SCL的高电平拉高SDA（Stop by master）

UART串口控制模块
看过前面教程的人可能会觉得奇怪，为什么还需要写UART串口控制的模块，明明已经有它的逻辑代码了。问题是ADT7420的I2C接口（包括不少其他芯片的I2C）使用的时钟是400kHz以下，一般比UART串口用的波特率要高很多，如果继续用之前的简单逻辑会出现串口数据还没送完，新的数据就已经进来的情况。

这里我们改进一下串口逻辑，添加一个同步先入先出队列（First in first out, FIFO）。FIFO在FPGA设计中非常常见，通过调用少量存储器平衡写入和读出两端的速度差。同步是指读写用的是同一个时钟，读写使能可以在不同的时间段激活，对于高速时钟控制低速接口很有用。异步FIFO是用在读写用的是不同时钟的情况下（不是读写使能信号），比起同步FIFO，它的难点在于跨越了时钟域，这部分有很多细节，以后再写。

同步FIFO的代码syn_fifo.v如下：

顶层接口定义，这里我们用了模块定义参数，在名称后面加上井号#与一对括号，在其中定义一些与该模块有关的参数，比如FIFO的数据宽度和地址长度，这样在调用相似模块时不用写多个模块，只需要在调用时候配置不同参数即可

接口比较简单，rd_en读使能的高电平时读取一个FIFO数据到data_out，wr_en写使能的高电平时写一个data_in到FIFO中，empty和full分表代表FIFO空了或者满了，避免出现错误

最大深度由地址宽度决定，定义RAM的读指针和写指针（可循环），加上一个FIFO有效计数器，用来观察FIFO是空还是满。

这里data_ram是RAM的核心，定义比较特殊，前面的宽度代表每个地址对应的数据宽度，后面的是定义它的深度

定义一个RAM，通过操控读写的地址来读写数据

有了FIFO的代码，我们可以改进之前的串口控制代码为UART_transmitter.v：

顶层定义，除了UART必要的接口外，加上dout、din以及他们的准备信号。这些信号都是十六进制数，每4位都是一位数

加入前面写好的FIFO代码，调用时参数的配置可以参考下面的代码

和之前差不多的串口发送端代码，去除了接收回传，这部分由调用串口模块的顶层做

和之前差不多的串口接收逻辑，加入了转换成16进制数的逻辑，每次输出一个4位的十六进制数

顶层逻辑
做好两个接口的准备工作，开始写顶层的temperature.v：

顶层定义，时钟复位和LED，I2C接口以及UART串口接口

将ADT7420另外两个引脚直接连接到LED上

调用前面写好的I2C控制器

调用前面写好的UART串口控制模块

根据串口接收到的指令，进行不同的读写操作

0读取温度数据，传回四个byte1读取ADT7420的状态寄存器，期望是0x002读取温度上限高位寄存器3把温度上限设置为28摄氏度4把温度上限改回默认的64摄氏度
另外把串口接收到的数据重传回PC，用来显示自己打入的命令，由于收到的是4位，而输出是8位，在高位加4位0

模拟仿真
和之前一样，要写一个Testbench和一个仿真脚本来仿真

Testbench
代码tb_temperature如下：

复位以后，参考I2C的时序，接收或者传回生成的数据，使用指令0，读取温度数据

仿真脚本
写脚本sim.do如下：

调用前面全部的代码，打开ModelSim后转到脚本在的路径，使用命令do sim.do即可开始仿真。

仿真时可以添加想要的信号到waveform窗口中观察，然后可以保存为wave.do，这样下次可以通过调用它来加入一样的信号，节省一个一个加入的时间，这时你可以把sim.do中被#注释掉的那行去注释

仿真结果
调用仿真脚本得到的结果如下：

和前面介绍的I2C时序比较可以看出是符合预期的，当中的一些蓝色和红色是由于Testbench毕竟不是真实芯片，无法返回完美的确认信号ack，之后可以用ChipScope来观察I2C信号

编译测试
新建一个叫temperature的project，配置为开发板NEXYS4。添加代码文件temperature.v、I2C_transmitter.v、UART_transmitter.v和syn_fifo.v

下一步加入约束constraint文件temperature.xdc，同样这是用标准模板取自己需要部分修改出来的（NEXYS 4 DDR Master XDC）：

到这里可以点击 Run Synthesis做综合，几分钟完成后用Set Up Debug配置ChipScope，加入和I2C有关的接口SCL和SDA（进出两个口），并设置长度为：

下面就可以Run Implementation和Generate Bitstream生成bitstream了。

和前面的教程一样，USB线连接NEXYS4板子，开启Hardware Manager，然后auto连接上板子，Program Device烧写进程序，注意Debug probes file有对应的ltx文件。

结果
打开Putty串口接口，具体配置可以参考教程系列11，分别打入几个指令后收到结果如下：

指令00读取温度，返回0x0DC8，根据温度的计算方式，右移3位后除以16，得到温度27.5625摄氏度，当然精度没有这么高，只是计算的结果指令01读取状态寄存器，如同预料的返回0x00指令02读取温度上限的高位，返回了默认值0x20，表示64摄氏度指令03写温度上限的高位为0x0E，表示28摄氏度，不会返回数据再用指令02读取温度上限高位，返回的是刚刚写入的0x0E指令04把温度上限的高位写回0x20再用指令02，读回的是0x20
调用ChipScope，设置trigger为SCL的下降沿，分别在putty打入指令0和3显示如下：

这个波形图基本展示了I2C读和写的时序图，就算不是使用FPGA，应该也可以参考这两张图。

总结
没能填上上期说的SD卡的坑，那部分要放到最后。下一篇要介绍板载的加速度传感器accelerometer ADXL362
i2c温度传感器：IIC实现温度传感器（TMP1XX,LM75X）测量与显示第2张

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