【正点原子FPGA连载】第三十三章环境光传感器实验 -摘自【正点原子】新起点之FPGA开发指南_V2.1

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第三十三章环境光传感器实验

AP3216C是一个能够测量环境光强度和距离的整合型光感测距传感器。因其功耗低、控制简单、封装小而广泛应用于智能手机、电容式触摸屏、数码相机等领域。例如应用于智能手机上面检测环境光强度，用来实现自动背光控制，以及接近开关控制（听筒靠近耳朵，手机自动灭屏功能）。本章我们将使用FPGA开发板上的AP3216C器件实现环境光照强度和距离的测量。 本章包括以下几个部分： 3232.1简介 32.2实验任务 32.3硬件设计 32.4程序设计 32.5下载验证

33.1简介 AP3216C是敦南科技推出的一款整合型传感器，它内部集成了：数字环境光传感器（Ambilent Light Sensor，ALS）、距离传感器（Proximity Sensor，PS）和一个红外LED（Infrared Radiation LED，IR LED）。其中，距离传感器具有10位的分辨率，环境光传感器具有16位的分辨率。AP3216C能够支持多种工作模式，我们使用的是ALS+PS+IR模式，在该模式下AP3216C连续采集环境光照强度和距离值。 AP3216C 内部功能模块的框图如图 33.1.1所示：

图 33.1.1 AP3216C功能框图 当有物体接近时，图 33.1.1中的红外发光二极管（IR_LED)发出的红外线碰撞到物体后反射到红外光电二极管（PS）上，光电二极管将光信号转换成电流信号，并通过模数转换器（ADC）将其转换成数字信号并存储在寄存器中。 物体离的越近，反射到PS上的红外光强度越高，模数转换后得到的数据就越大，从而实现感应物体距离远近的功能。与此类似，可见光光电二极管（ALS）感应环境光强度，并将其转化成数字信号，从而实现环境光强度的检测。 AP3216C内部有一些寄存器，这些寄存器可以控制AP3216C的工作模式、中断方式以及采集数据等。这里我们仅介绍本章中需要用到的一些寄存器，其他寄存器的描述和说明，请大家参考AP3216C的数据手册。 本章用到的AP3216C寄存器如表 33.1.1所示： 表 33.1.1 AP3216C 相关寄存器及其说明

上表中，地址0X00对应的是一个系统模式控制寄存器，我们在初始化的时候将它配置为011，开启ALS+PS+IR检测功能。剩下的6个寄存器为数据寄存器，分别寄存AP3216C采集到的红外光强度、环境光强度、以及距离值。 AP3216C采用I2C总线协议与控制器（FPGA）进行通信，因此我们通过I2C协议实现对AP3216C相关寄存器的配置和采集数据的读取。 AP3216C写寄存器的时序图如图 33.1.2所示：

图 33.1.2 AP3216C 写寄存器时序 图 33.1.2中，先发送AP3216C的器件地址（0X1E）和读写控制位，最低位W=0表示写数据；随后发送8位寄存器地址，最后发送写入寄存器中的配置指令。其中：S，表示IIC起始信号；W，表示读/写标志位（W=0 表示写，W=1 表示读）；A，表示应答信号；P，表示IIC停止信号。有关I2C总线协议更详细的介绍请大家参考“EEPROM读写实验”。 AP3216C的读寄存器时序如图 33.1.3所示：

图 33.1.3 AP3216C 读寄存器时序 图 33.1.3中，同样是先发送7位器件地址+写操作标志，然后再发送寄存器地址；随后，重新发送起始信号（Sr），再次发送7位地址+读操作标志，最后读取寄存器值。其中：Sr，表示重新发送IIC起始信号；N，表示不对AP3216C进行应答。 33.2实验任务 本节实验任务是使用新起点FPGA开发板上的AP3216C器件测量环境光强度和物体距离，并在数码管上显示环境光强度，用4个led灯的亮灭来指示物体距离的远近。 33.3硬件设计 新起点开发板上AP3216C接口部分的原理图如图 33.3.1所示。

图 33.3.1 AP3216C接口原理图 AP3216C作为I2C接口的从器件与EEPROM等模块统一挂接在新起点开发板上的IIC总线上。LEDA是器件内部红外发光二极管（IR_LED)的阳极，LEDC为阴极，一般连接到LED的驱动输出脚LDR。 本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示： 表 33.3.1 AP3216C环境光—距离传感器实验管脚分配

对应的TCL约束语句如下： set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk set_location_assignment PIN_M1 -to sys_rst_n set_location_assignment PIN_C8 -to ap_sda set_location_assignment PIN_D8 -to ap_scl set_location_assignment PIN_D11 -to led[0] set_location_assignment PIN_C11 -to led[1] set_location_assignment PIN_E10 -to led[2] set_location_assignment PIN_F9 -to led[3] set_location_assignment PIN_N16 -to sel[0] set_location_assignment PIN_N15 -to sel[1] set_location_assignment PIN_P16 -to sel[2] set_location_assignment PIN_P15 -to sel[3] set_location_assignment PIN_R16 -to sel[4] set_location_assignment PIN_T15 -to sel[5] set_location_assignment PIN_M11 -to seg_led[0] set_location_assignment PIN_N12 -to seg_led[1] set_location_assignment PIN_C9 -to seg_led[2] set_location_assignment PIN_N13 -to seg_led[3] set_location_assignment PIN_M10 -to seg_led[4] set_location_assignment PIN_N11 -to seg_led[5] set_location_assignment PIN_P11 -to seg_led[6] set_location_assignment PIN_D9 -to seg_led[7] 33.4程序设计 根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程：FPGA首先通过I2C总线读取AP3216C采集的环境光及距离数据，然后将读到的距离值用于控制4个led灯的亮灭，以指示物体的远近；并将环境光光照强度用数码管显示出来。由此画出系统的功能框图如下所示：

图 33.4.1 AP3216C环境光—距离测量实验系统框图 程序中各模块端口及信号连接如图 33.4.2所示： 由系统框图可知，FPGA部分包括五个模块，顶层模块（ap3216c_top）、IIC驱动模块（i2c_dri）、AP3216C数据采集模块（ap3216c）、LED显示模块（led_disp）以及数码管显示模块（seg_led）。各模块功能如下：

图 33.4.2 顶层模块原理图 顶层模块（ap3216c_top）：顶层模块例化了IIC驱动模块（i2c_dri）、AP3216C数据采集模块（ap3216c）、LED显示模块（led_disp）以及数码管显示模块（seg_led），完成各模块之间的数据交互。AP3216C数据采集模块通过IIC驱动模块与AP3216C器件进行通信，并将采集到的环境光强度送入数码管显示模块显示，采集到的距离值送入LED显示模块显示。 IIC驱动模块（i2c_dri）：由于AP3216C采用I2C协议与FPGA进行通信，所以需用IIC驱动模块实现FPGA与AP3216C信号的交互。 AP3216C数据采集模块（ap3216c）通过调用IIC驱动模块（i2c_dri）来实现对AP3216C采集数据的读取。将读到的环境光照强度数值als_data传递给数码管模块（seg_led）显示，将读到的距离值ps_data传递给led显示模块（led_disp），用于控制4个led灯的亮灭以指示物体的远近。 LED显示模块（led_disp）：根据距离值的远近点亮LED灯的个数，距离越近，LED亮的个数越多，距离越远，LED亮的个数越少。 数码管显示模块（seg_led）：数码管显示模块显示采集到的环境光强度值。 顶层模块的代码如下：

1   module ap3216c_top(
2       //global clock
3       input                sys_clk    ,        // 系统时钟
4       input                sys_rst_n  ,        // 系统复位
5   
6       //ap3216c interface  
7       output               ap_scl     ,        // i2c时钟线
8       inout                ap_sda     ,        // i2c数据线
9   
10      //user interface
11      output        [3:0]  led        ,        // led灯接口
12      output        [5:0]  sel        ,        // 数码管位选
13      output        [7:0]  seg_led             // 数码管段选
14  );
15  
16  //parameter define
17  parameter      SLAVE_ADDR =  7'h1e        ;  // 器件地址
18  parameter      BIT_CTRL   =  1'b0         ;  // 字地址位控制参数(16b/8b)
19  parameter      CLK_FREQ   = 26'd50_000_000;  // i2c_dri模块的驱动时钟频率(CLK_FREQ)
20  parameter      I2C_FREQ   = 18'd250_000   ;  // I2C的SCL时钟频率
21  
22  //wire define
23  wire           clk       ;                   // I2C操作时钟
24  wire           i2c_exec  ;                   // i2c触发控制
25  wire   [15:0]  i2c_addr  ;                   // i2c操作地址
26  wire   [ 7:0]  i2c_data_w;                   // i2c写入的数据
27  wire           i2c_done  ;                   // i2c操作结束标志
28  wire           i2c_rh_wl ;                   // i2c读写控制
29  wire   [ 7:0]  i2c_data_r;                   // i2c读出的数据
30  wire   [15:0]  als_data  ;                   // ALS的数据
31  wire   [ 9:0]  ps_data   ;                   // PS的数据
32  
33  //*****************************************************
34  //**                    main code
35  //*****************************************************
36  
37  //例化i2c_dri,调用IIC协议
38  i2c_dri #(
39      .SLAVE_ADDR  (SLAVE_ADDR),               // slave address从机地址，放此处方便参数传递
40      .CLK_FREQ    (CLK_FREQ  ),               // i2c_dri模块的驱动时钟频率(CLK_FREQ)
41      .I2C_FREQ    (I2C_FREQ  )                // I2C的SCL时钟频率
42  ) u_i2c_dri(
43      //global clock
44      .clk         (sys_clk   ),               // i2c_dri模块的驱动时钟(CLK_FREQ)
45      .rst_n       (sys_rst_n ),               // 复位信号
46      //i2c interface
47      .i2c_exec    (i2c_exec  ),               // I2C触发执行信号
48      .bit_ctrl    (BIT_CTRL  ),               // 器件地址位控制(16b/8b)
49      .i2c_rh_wl   (i2c_rh_wl ),               // I2C读写控制信号
50      .i2c_addr    (i2c_addr  ),               // I2C器件内地址
51      .i2c_data_w  (i2c_data_w),               // I2C要写的数据
52      .i2c_data_r  (i2c_data_r),               // I2C读出的数据
53      .i2c_done    (i2c_done  ),               // I 2C一次操作完成
54      .i2c_ack     (),                         // I2C应答标志 0:应答 1:未应答
55      .scl         (ap_scl    ),               // I2C的SCL时钟信号
56      .sda         (ap_sda    ),               // I2C的SDA信号
57      //user interface
58      .dri_clk     (clk       )                // I2C操作时钟
59  );
60  
61  //例化AP3216C测量模块
62  ap3216c u_ap3216c(
63      //system clock
64      .clk         (clk       ),               // 时钟信号
65      .rst_n       (sys_rst_n ),               // 复位信号
66      //i2c interface
67      .i2c_rh_wl   (i2c_rh_wl ),               // I2C读写控制信号
68      .i2c_exec    (i2c_exec  ),               // I2C触发执行信号
69      .i2c_addr    (i2c_addr  ),               // I2C器件内地址
70      .i2c_data_w  (i2c_data_w),               // I2C要写的数据
71      .i2c_data_r  (i2c_data_r),               // I2C读出的数据
72      .i2c_done    (i2c_done  ),               // I2C一次操作完成
73      //user interface
74      .als_data    (als_data  ),               // ALS的数据
75      .ps_data     (ps_data   )                // PS的数据
76  );
77  
78  //例化动态数码管显示模块
79  seg_led u_seg_led(
80      //module clock
81      .clk           (sys_clk  ),              // 时钟信号
82      .rst_n         (sys_rst_n),              // 复位信号
83      //seg_led interface
84      .seg_sel       (sel      ),              // 位选
85      .seg_led       (seg_led  ),              // 段选
86      //user interface
87      .data          (als_data ),              // 显示的数值
88      .point         (6'd0     ),              // 小数点具体显示的位置,从高到低,高电平有效
89      .en            (1'd1     ),              // 数码管使能信号
90      .sign          (1'b0     )               // 符号位（高电平显示“-”号）
91  );
92  
93  //例化LED模块
94  led_disp u_led_disp(
95  //system clock
96  .clk          (clk      ),                // 时钟信号
97  .rst_n        (sys_rst_n),                // 复位信号
98  //led interface
99  .led          (led      ),                // led灯接口
100 //user interface
101 .data         (ps_data  )                 // PS的数据
102 );
103 
104 endmodule

顶层模块中主要完成对其余模块的例化，其中I2C驱动模块（i2c_dri）程序与“EEPROM读写实验”章节中的IIC驱动模块（i2c_dri）程序完全相同。有关IIC驱动模块的详细介绍请大家参考“EEPROM读写实验”。 为了可以同时采集到环境光照强度值和距离值，我们需要配置系统寄存器（地址0x00）为011，使AP3216C工作在PS和ALS模式下，此时AP3216C交替采集距离值PS和环境光照强度ALS。

图 33.4.3 采集时序图 由图 33.4.3可以看到，I2C配置完系统寄存器后采集距离值PS需要的时间为12.5ms，采集环境光照强度ALS需要的时间为100ms。 AP3216C数据采集模块的代码如下所示：

1   module ap3216c(
2       //system clock
3       input                 clk        ,    // 时钟信号
4       input                 rst_n      ,    // 复位信号
5   
6       //i2c interface
7       output   reg          i2c_rh_wl  ,    // I2C读写控制信号
8       output   reg          i2c_exec   ,    // I2C触发执行信号
9       output   reg  [15:0]  i2c_addr   ,    // I2C器件内地址
10      output   reg  [ 7:0]  i2c_data_w ,    // I2C要写的数据
11      input         [ 7:0]  i2c_data_r ,    // I2C读出的数据
12      input                 i2c_done   ,    // I2C一次操作完成
13  
14      //user interface
15      output   reg  [15:0]  als_data   ,    // ALS的数据
16      output   reg  [ 9:0]  ps_data         // PS的数据
17  );
18  
19  //parameter define
20  parameter      TIME_PS   = 14'd12_500  ;  // PS转换时间为12.5ms(clk = 1MHz)
21  parameter      TIME_ALS  = 17'd100_000 ;  // ALS转换时间为100ms(clk = 1MHz)
22  parameter      TIME_REST =  8'd2       ;  // 停止后重新开始的时间间隔控制
23  
24  //reg define
25  reg   [ 3:0]   flow_cnt   ;               // 状态流控制
26  reg   [18:0]   wait_cnt   ;               // 计数等待
27  reg   [15:0]   als_data_t ;               // ALS的临时数据
28  reg            als_done   ;               // 环境光照强度值采集完成信号
29  reg   [ 9:0]   ps_data_t  ;               // PS的临时数据
30  reg            ir_of      ;               // 溢出标志（判断ps_data是否有效）
31  reg            obj        ;               // 物体状态标志（0远离1靠近）
32  
33  //*****************************************************
34  //**                    main code
35  //*****************************************************
36  
37  //配置AP3216C并读取数据
38  always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
39      if(!rst_n) begin
40          i2c_exec