FPGA采集DHT11温湿度

[导读]本篇是FPGA之旅设计的第十二例，在前面的例程中，完成了DS18B20温度传感器数据的采集，并且将采集到的数据显示在数码管上。由于本例将对温湿度传感器DHT11进行采集，而且两者的数据采集过程类似，所以可以参考一下前面的例程。本例将通过signal top实时采集波形，确定采集到的数据是正确了(数据中带了校验)。

一. 简介

本篇是FPGA之旅设计的第十二例，在前面的例程中，完成了DS18B20温度传感器数据的采集，并且将采集到的数据显示在数码管上。由于本例将对温湿度传感器DHT11进行采集，而且两者的数据采集过程类似，所以可以参考一下前面的例程。本例将通过signal top实时采集波形，确定采集到的数据是正确了(数据中带了校验)。

二. DHT11传感器简介

应用电路如下，和DS18B20一样，只需要一根数据线与FPGA进行通信。每次通信都是FPGA发起的，随后DHT11会输出40bit的数据给FPGA。温度测试范围为0-50℃，湿度测试范围为20-90%RH(相对湿度)，简单了解一下即可。

三. 数据传输过程

数据传输一共包括三个部分

开始采集 : FPGA拉低数据线，然后释放，等等DHT11响应
数据采集 : 这部分一共需要传输40bit的数据，分别为(高到底) 8bit湿度整数位，8bit湿度小数位，8bit温度整数位，8bit温度小数位,8bit校验和。校验和 = 数据之和，通过这个可以判断接收到的数据是否正确。
采集结束：从机拉低约50us后，主机拉低

官方图如下，下面详细说明一下各个部分。

开始采集

从图中可以看到，开始采集包括两个部分，主机和从机。主机先拉低总线18ms，然后拉高20-40us后释放总线，然后从机响应拉低总线80us后，拉高总线80us，就完成了。这里的拉低拉高时间都不是一个固定值，可以根据实际情况来决定。

数据传输

开始采集结束后，就是数据传输了，一根总线最关心的问题就是如何表示数据1和数据0了。

数据0表示如下

数据1表示如下

可以看到，无论是数据0还是数据1，总线拉低的时间都是一样的，所以在判断数据0和数据1，只需要根据高电平的持续时间即可。

采集结束

在从机拉低50us后，FPGA将总线拉高即可。

以上就是DHT11数据传输的全部内容，还是比较容易的哈。

四. 代码实现

(一). 状态机确定

通过上面的时序图，可以确定，采集过程可以大致分为六个阶段，其中请求部分可以分为FPGA请求和DHT11应答两个部分,具体如下。

localparam S_IDLE          = 'd0;  //空闲态localparam S_START_FPGA    =    'd1; //FPGA请求采集数据开始localparam S_START_DHT11   = 'd2;  //DHT11开始请求应答localparam S_DATA          =    'd3; //数据传输localparam S_STOP          = 'd4;  //数据结束localparam S_DOEN          =    'd5; //数据采集完成

(二). 计时周期数确定

在时序图中，提到了18ms，26-28us，20-40us，50us，70us，80us等等，但是经过分析后，并不需要定义这么多个计时周期数，只需要定义两个即可。为什么只定义这两个就可以了呢？

在时序图中，需要FPGA判断时间的，有两个位置，一个是FPGA拉低18ms以上，另外一个是判断数据表示是数据0还是数据1。第一个很清楚就是18ms。数据0表示的数据位26-28us，为了保险起见，这里设置为35us，如果高电平的持续时间低于35us，那么就表示数据0。

//时钟为50MHZ，20nslocalparam  TIME18ms = 'd1000_099;    //开始态的拉低18ms,900_000个时钟周期，这里适当的延长了拉低时间。localparam  TIME35us = 'd1_750; //数据传输过程中，数据0拉高的出现

在编写代码的时候，低电平是不需要处理的，只需要通过下降沿当前的传输状态即可。例如说在dht11响应的阶段，只需要判断是否产生了下降沿，至于其高电平和低电平各种持续了多长的时间，这个可以忽略。

(三). 状态转移编写

从状态转移条件可以看到，都是通过下降沿，和周期计数来作为条件进行转移的。

always@(*)begin case(state) S_IDLE: if(dht11_req == 1'b1) //数据采集请求过来进入开始态 next_state <= S_START_FPGA; else next_state <= S_IDLE; S_START_FPGA:  if((DHT11_Cnt >= TIME18ms) && dht11_negedge == 1'b1) //FPGA请求结束结束 next_state <= S_START_DHT11; else next_state <= S_START_FPGA; S_START_DHT11: if((DHT11_Cnt > TIME35us) && dht11_negedge == 1'b1) //延时一段时间后，通过判断dht11总线的下降沿，是否结束响应 next_state <= S_DATA; else next_state <= S_START_DHT11; S_DATA: if(DHT11Bit_Cnt == 'd39 && dht11_negedge == 1'b1) //接收到40bit数据后，进入停止态 next_state <= S_STOP; else next_state <= S_DATA; S_STOP: if(DHT11_Cnt == TIME35us + TIME35us) //数据传输完成后，等待总线拉低50us,这里是70us next_state <= S_DOEN; else next_state <= S_STOP; S_DOEN: next_state <= S_IDLE;  default: next_state <= S_IDLE; endcaseend

(四). 采集数据存储

根据手册的指示，先发送高位，后发送低位，按照条件来进行存储即可。

/*接收数据存储*/always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin if(rst_n == 1'b0) dht11_data <= 'd0; else if(state == S_DATA) if((DHT11_Cnt <= TIME35us + 'd3000) && dht11_negedge == 1'b1) //'d3000为低电平时间(这个是有必要的)，高电平持续时间低于35us认为是数据0 dht11_data <= {dht11_data[38:0],1'b0}; else if(dht11_negedge == 1'b1) dht11_data <= {dht11_data[38:0],1'b1}; else dht11_data <= dht11_data; else dht11_data <= dht11_data;end