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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 溫度傳感器

i2c溫度傳感器：IIC實現溫度傳感器（TMP1XX,LM75X）測量與顯示

發布日期：2022-10-09 點擊率：1434

i2c溫度傳感器：IIC實現溫度傳感器（TMP1XX,LM75X）測量與顯示

IIC調試學習

由于項目要用到溫度傳感器，所以就挑選了TI的一款溫度傳感器Tmp102，這款溫度傳感器和TI的很多溫度傳感器都類似，比如Tmp112，lm75，lm75a等。這款溫度傳感器所用到的通信方式為IIC，之前僅僅了解過IIC并沒有進行實際的操作，借著這個機會進行實際的IIC運用和學習。
其中IIC的基礎知識點就不詳細說明了，想要進行IIC的編程和學習，首先學習的應該是他的基本知識，只有知道了他的基礎知識才能夠進行有條不紊的應用。

我用的單片機是STM32F103ZET6，IIC為軟件的形式是實現

IIC協議軟件實現
產生開始信號

2.產生停止信號

3.主機等待從機應答

4.主機不產生應答

5.主機產生應答

6.IIC發送一個字節

6.IIC讀一個字節

溫度傳感器實現
1.溫度傳感器初始化

2.溫度傳感器讀取一個字節

3.溫度傳感器讀取一個字

4.寫入一個字節

5.寫入一個字

主函數

實際測試效果

圖片:

代碼下載
鏈接: //download.csdn.net/download/little_ox/.
i2c溫度傳感器：IIC實現溫度傳感器（TMP1XX,LM75X）測量與顯示第1張

i2c溫度傳感器：linux下的I2C溫度傳感器應用

需求：
? 讀嵌入式溫度傳感器的值。

已知條件：
*溫度傳感器已經在主板上焊好了。
*溫度傳感器型號為lm75
*linux自帶驅動，在linux-2.6.20.21/drivers/hwmon/lm75.c
*溫度傳感器的電路

問題與解答：
＊linux自帶的驅動怎么用的？

看lm75.c的代碼，發現此溫度傳感器用的是I2C的總線。
代碼中看到i2c驅動的接口定義如下，和以前做過的字符型驅動的接口不一樣。
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這本書中搜，在此書中無介紹。

講得還不錯。尤其是后者對路。I2C在讀主板上的傳感器的應用上應用比較多，但它是在比較新的版本的LINUX內核版本中才加進來的，難怪LDD這本書中沒有講了。

再看上面數據結構中的回調函數，具體干什么就比較清楚了。根據函數內容得知，驅動在加載的時候會自動檢測I2C總線上的設備，因此會自動發現溫度傳感器。lm75_update_device（）是對溫度傳感器進行輪詢讀數時用的函數。

根據文章指引，看設備的/sys/bus/i2c/。下面已經有了lm75傳感器的數據，直接讀是有數據的，而且數據會變化，如下：

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

*讀數為負。什么樣的讀數才是正常的？
在驅動代碼里增加了調試信息，打印出傳感器上讀的寄存器的值，和文件系統上讀出的不一樣。
看 linux-2.6.20.21/documentation/hwmon/lm75，了解到lm75是一個工業標準。所以linux里的lm75驅動是支持多種溫度傳感器的。

看了一下板子上的芯片，是lm75A.在網上下載了一個datasheet，上面顯示一共9-bit來控制讀數。頭位為正負，后面8-bit為值。
在驅動代碼里添加調試信息，只打印寄存器值的后8-bit，放到溫度實驗箱里測試的結果看起來滿合理的。
@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里面的東西就是通過上面打印到buffer中去的
}
show(temp_input);

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

lm75_update_device(dev);?

然后把內核的lm75.h的代碼修正（只讀后面8個比特并根據大小判斷正負），測試通過。

i2c溫度傳感器：開發板溫度傳感器

上一篇教程挖了一個NEXYS4 開發板中MicroSD的天坑，發現難度過高，打算放到之后再完成，這一篇來電不這么重口味的溫度傳感器配置。在NEXYS 4開發板上的溫度傳感器使用的是I2C接口，這個接口很常見，可以寫一個模塊留著以后使用

FPGA基礎入門【15】開發板I2C溫度傳感器配置
開發板溫度傳感器I2C接口簡介ADT7420簡介寄存器
邏輯設計I2C控制模塊UART串口控制模塊頂層邏輯
模擬仿真Testbench仿真腳本仿真結果
編譯測試結果
總結

開發板溫度傳感器
NEXYS 4文檔中寫著它使用的溫度傳感器名字是Analog Device ADT7420，提供16位精度，一般精確到0.25攝氏度，用I2C接口和FPGA連接如下：

SCL和SDA是I2C接口，用來和FPGA連接。可以看到它只有兩根線，非常精簡，一般用來和不太復雜的外圍設備連接。并且它還有地址識別，因此1個master設備可以同時和多個slave設備相連。剩下兩條線表示溫度溢出（過高或者過低），以及溫度高到有危險的程度。

ADT7420的文檔鏈接：ADT7420

I2C接口簡介
從ADT7420的文檔中讀到，它的時鐘需求是400kHz以下，我們采用200kHz，需要把系統時鐘100MHz減慢500倍

和這款芯片相關的I2C的時序如下：
寫單字節數據

寫雙字節數據：

從配置寄存器中讀取數據：

讀取溫度數據：

在SCL為高電平時，拉低SDA是開始信號在SCL為高電平時，拉高SDA是結束信號Master設備在讀回信號的最后傳出低電平表示，再來一個，高電平表示，夠了夠了不用再傳了
從這個時序圖看出，I2C讀寫控制參數有四個：讀寫控制、寄存器地址、讀寫數據長度、寫的8位數據（每完成一次輸出就更新一次）

ADT7420簡介
網上很多Arduino用的溫度傳感器模塊用的就是這款芯片，引腳如下：

其中SCL和SDA是和FPGA相連的I2C接口，CT和INT是臨界溫度警告，VDD和GND是電源和接地，A0和A1是低地址位，在芯片較少時可以直接通過連線來同時連接幾個芯片。

NEXYS 4文檔中說要制定slave地址0x4B來和傳感器通信，通過前面的I2C接口介紹可以看出，開發板把A0和A1兩個引腳都拉高了。

ADT7420在上電后會自動進入簡單溫度傳感器模式，不需要初始化配置。設備地址寄存器一開始被指向溫度數據的高位MSB，因此不用制定地址讀出來的第一個字節就是溫度的MSB，第二個字節是LSB，組成需要的16位結果。因此上面的時序圖中讀取溫度的兩步，如果一開始沒有做別的操作，可以把寫地址省略。把16位結果右移3位，再除以16，就可以得到攝氏溫度

寄存器
ADT7420的寄存器全家福及其默認值如下：

這里我們只關注溫度高低位、狀態和配置四個寄存器

溫度高低位：

狀態寄存器，復位后要先等這個寄存器的最高位變成0：

配置寄存器：

邏輯設計
首先需要一個I2C的控制邏輯模塊I2C_transmitter.v，然后就可以配置一個串口控制器，隨時讀取寄存器與數據。這里我們把之前做過的串口模塊集成一下，加個FIFO以便之后再使用

這次的代碼比較長，要把之前做過的一些東西做個綜合

I2C控制模塊
從前面的I2C時序邏輯可以分析，定義一段I2C數據傳輸參數有這么幾個：寄存器地址、讀寫選擇、讀寫長度、需要寫入的8位數據。

新建一個代碼文件I2C_transmitter.v，代碼如下：

頂層接口配置，前面分析過I2C必要參數，還需要一些其他的控制信號

設備地址dev_addr，這個應該連到固定值0x4B讀寫控制rdh_wrl，高電平代表讀，低電平代表寫寄存器地址reg_addr操作準備信號ready，它的上升沿代表數據準備完成，可以進行I2C傳輸輸出8位數據dout傳輸長度dout_length輸出確認dout_ack，表示一個byte已經輸出完成，可以更新到下一個byte輸入8位數據din輸入準備信號din_valid，每當此信號升高，就有一個byte輸入在din接口準備好

生成I2C接口需要的100kHz時鐘，用I2C_SCL_en來使能控制

實時監測SCL的上升沿和下降沿，由于SDA是雙向的信號，讀的時候用上升沿，寫的時候用下降沿，經常需要切換

探測ready信號的上升沿以開始I2C傳輸

狀態機配置

偵測到ready上升沿，在SCL為高的情況下拉低SDA表示開始（Start by master），這也就是SCL生成器在復位情況下為高的原因

輸出設備地址0x4B，帶上最低位為1表示寫入，經歷9個時鐘周期，最后一個上升沿觀察設備是否傳回一個ack信號

寫入寄存器地址，根據讀寫控制信號進入讀流程或者寫流程

當需要讀數據時，需要再次進行Start by master，拉高SDA后，在SCL的高電平時拉低SDA

讀流程還需要再寫一次設備地址，并把最后一位改成高電平以表示讀取

寫操作，將一個byte輸出給設備，獲得ack信號后計算是否已經輸出到指定長度，如果已經達到則進入結束流程

讀操作，從設備讀取一個byte后，如果還沒有讀取足夠數據，則在第九個時鐘周期輸出一個低電平作為ack信號，否則輸出一個高電平作為no ack信號，表示master已經讀取了足夠的數據

結尾操作，關閉SCL生成器，在SCL的高電平拉高SDA（Stop by master）

UART串口控制模塊
看過前面教程的人可能會覺得奇怪，為什么還需要寫UART串口控制的模塊，明明已經有它的邏輯代碼了。問題是ADT7420的I2C接口（包括不少其他芯片的I2C）使用的時鐘是400kHz以下，一般比UART串口用的波特率要高很多，如果繼續用之前的簡單邏輯會出現串口數據還沒送完，新的數據就已經進來的情況。

這里我們改進一下串口邏輯，添加一個同步先入先出隊列（First in first out, FIFO）。FIFO在FPGA設計中非常常見，通過調用少量存儲器平衡寫入和讀出兩端的速度差。同步是指讀寫用的是同一個時鐘，讀寫使能可以在不同的時間段激活，對于高速時鐘控制低速接口很有用。異步FIFO是用在讀寫用的是不同時鐘的情況下（不是讀寫使能信號），比起同步FIFO，它的難點在于跨越了時鐘域，這部分有很多細節，以后再寫。

同步FIFO的代碼syn_fifo.v如下：

頂層接口定義，這里我們用了模塊定義參數，在名稱后面加上井號#與一對括號，在其中定義一些與該模塊有關的參數，比如FIFO的數據寬度和地址長度，這樣在調用相似模塊時不用寫多個模塊，只需要在調用時候配置不同參數即可

接口比較簡單，rd_en讀使能的高電平時讀取一個FIFO數據到data_out，wr_en寫使能的高電平時寫一個data_in到FIFO中，empty和full分表代表FIFO空了或者滿了，避免出現錯誤

最大深度由地址寬度決定，定義RAM的讀指針和寫指針（可循環），加上一個FIFO有效計數器，用來觀察FIFO是空還是滿。

這里data_ram是RAM的核心，定義比較特殊，前面的寬度代表每個地址對應的數據寬度，后面的是定義它的深度

定義一個RAM，通過操控讀寫的地址來讀寫數據

有了FIFO的代碼，我們可以改進之前的串口控制代碼為UART_transmitter.v：

頂層定義，除了UART必要的接口外，加上dout、din以及他們的準備信號。這些信號都是十六進制數，每4位都是一位數

加入前面寫好的FIFO代碼，調用時參數的配置可以參考下面的代碼

和之前差不多的串口發送端代碼，去除了接收回傳，這部分由調用串口模塊的頂層做

和之前差不多的串口接收邏輯，加入了轉換成16進制數的邏輯，每次輸出一個4位的十六進制數

頂層邏輯
做好兩個接口的準備工作，開始寫頂層的temperature.v：

頂層定義，時鐘復位和LED，I2C接口以及UART串口接口

將ADT7420另外兩個引腳直接連接到LED上

調用前面寫好的I2C控制器

調用前面寫好的UART串口控制模塊

根據串口接收到的指令，進行不同的讀寫操作

0讀取溫度數據，傳回四個byte1讀取ADT7420的狀態寄存器，期望是0x002讀取溫度上限高位寄存器3把溫度上限設置為28攝氏度4把溫度上限改回默認的64攝氏度
另外把串口接收到的數據重傳回PC，用來顯示自己打入的命令，由于收到的是4位，而輸出是8位，在高位加4位0

模擬仿真
和之前一樣，要寫一個Testbench和一個仿真腳本來仿真

Testbench
代碼tb_temperature如下：

復位以后，參考I2C的時序，接收或者傳回生成的數據，使用指令0，讀取溫度數據

仿真腳本
寫腳本sim.do如下：

調用前面全部的代碼，打開ModelSim后轉到腳本在的路徑，使用命令do sim.do即可開始仿真。

仿真時可以添加想要的信號到waveform窗口中觀察，然后可以保存為wave.do，這樣下次可以通過調用它來加入一樣的信號，節省一個一個加入的時間，這時你可以把sim.do中被#注釋掉的那行去注釋

仿真結果
調用仿真腳本得到的結果如下：

和前面介紹的I2C時序比較可以看出是符合預期的，當中的一些藍色和紅色是由于Testbench畢竟不是真實芯片，無法返回完美的確認信號ack，之后可以用ChipScope來觀察I2C信號

編譯測試
新建一個叫temperature的project，配置為開發板NEXYS4。添加代碼文件temperature.v、I2C_transmitter.v、UART_transmitter.v和syn_fifo.v

下一步加入約束constraint文件temperature.xdc，同樣這是用標準模板取自己需要部分修改出來的（NEXYS 4 DDR Master XDC）：

到這里可以點擊 Run Synthesis做綜合，幾分鐘完成后用Set Up Debug配置ChipScope，加入和I2C有關的接口SCL和SDA（進出兩個口），并設置長度為：

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

和前面的教程一樣，USB線連接NEXYS4板子，開啟Hardware Manager，然后auto連接上板子，Program Device燒寫進程序，注意Debug probes file有對應的ltx文件。

結果
打開Putty串口接口，具體配置可以參考教程系列11，分別打入幾個指令后收到結果如下：

指令00讀取溫度，返回0x0DC8，根據溫度的計算方式，右移3位后除以16，得到溫度27.5625攝氏度，當然精度沒有這么高，只是計算的結果指令01讀取狀態寄存器，如同預料的返回0x00指令02讀取溫度上限的高位，返回了默認值0x20，表示64攝氏度指令03寫溫度上限的高位為0x0E，表示28攝氏度，不會返回數據再用指令02讀取溫度上限高位，返回的是剛剛寫入的0x0E指令04把溫度上限的高位寫回0x20再用指令02，讀回的是0x20
調用ChipScope，設置trigger為SCL的下降沿，分別在putty打入指令0和3顯示如下：

這個波形圖基本展示了I2C讀和寫的時序圖，就算不是使用FPGA，應該也可以參考這兩張圖。

總結
沒能填上上期說的SD卡的坑，那部分要放到最后。下一篇要介紹板載的加速度傳感器accelerometer ADXL362
i2c溫度傳感器：IIC實現溫度傳感器（TMP1XX,LM75X）測量與顯示第2張

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