基于FPGA的温度监控系统.docx

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基于FPGA的温度监控系统

摘要

本论文介绍了一个基于FPGA的数字温度计电路的设计与实现。

该电路采用数字温度传感器DS18B20采集外界环境温度，同时结合该传感器的数据接口和特点，使用FPGA作为控制器，严格控制DS18B20的时序,在单总线上实现读写功能，完成测量数字温度的功能。

再将采集的二进制数转换为BCD码,并通过数码管显示。

该系统软件设计通过VerilogHDL语言进行编译。

这次设计相比于传统的数字温度计具有结构简单，抗干扰能力强，功耗小，可靠性高，反应时间短等优点。

关键词：

数字温度计；FPGA；VerilogHDL；DS18B20

ABSTRACT

ThispaperexpoundsadesignandimplementationofadigitalthermometercircuitbasedonFPGA.ThecircuitadoptsthedigitaltemperaturesensorDS18B20collectingtheenvironmenttemperature,combiningwiththecharacteristicsofthesensordatainterface,usingFPGAasthecontroller,strictcontroloverthetimingofDS18B20,readandwritefunctionson1-wire,completethefunctionofdigitaltemperaturemeasurement.ThenmeasurethebinarynumberintoBCDcode,anddisplayitonthedigitaltube.TheprogramdesignofthesystemiscompiledbyVerilogHDLlanguage.Comparedtothetraditionaldigitalthermometer,ithasmanyadvantagessuchassimplerstructure,stronganti-interferenceability,lowconsumption,highreliability,shortreactiontime.

Keywords：

Digitalthermometer,FPGA,VerilogHDL,DS18B20

1绪论

1.1课题研究意义

温度是生活中最基本的环境参数。

温度的监测与控制，对于生物的生存与生长，工业生产发展都有着非同一般的意义。

温度传感器的应用涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、消费电子产品和专用设备等各个领域。

传统的常用温度传感器有热电偶、电阻温度计RTD和NTC热敏电阻等。

但信号调理，模数转换及恒温器等功能全都会增加成本。

现代集成温度传感器通常包含这些功能，并以其低廉的价格迅速占据了市场。

DallasSemiconductor公司推出的数字式温度传感器DS18B20采用数字化一线总线计数具有很多的优异特性。

其一，它将控制线、地址线、数据线合成一根导线，允许在同一根导线上挂接多个控制对象，形成多点一线总线测控系统。

布线施工方便，成本低廉。

其二，线路上传送的是数字信号，所受的干扰和损耗小，性能好。

本课题旨在分析和设计数字化温度测控系统。

本系统采用FPGA实现一个数字温度计，采用Verilog HDL作为开发语言，实现对温度的测量。

由于单片机设计的控制器生产成本较低，所以过去人们通常使用这种方法来设计数字温度计。

这种设计方法的缺点是它并不能完成很复杂的功能，只能进行一些简单的运算和控制，并且设计的控制器性能也很一般。

因此，在这种情况下，研究人员要是想进一步的提升技术，就不得不冒着牺牲机器性能的风险来扩展外部硬件电路，显然用这种传统的方法设计数字温度计，既具有局限性又具有一定的难度，所以我们要寻找一种新的设计方法来替代这种传统的研究方法。

FPGA是Xilinx公司率先提出的概念，又名现场可编程门阵列，它是以PAL等可编程器件为基础发展起来的一种高密度可编程逻辑器件，作为一种半定制电路，FPGA弥补了定制电路的不足之处，并且在结构上能够实现复杂系统所需要的主要功能，此外，使用FPGA设计产品也非常便利。

首先用硬件描述语言设计电路，然后经过布局仿真验证实验结果，最后烧入到FPGA中进行现场测试。

因此，用FPGA设计能解决传统设计中遇到的一些不可避免的难题。

利用FPGA设计产品能够有效避免很多前期的风险投资，并且在软件阶段就可以准确评估出设计的正确性，从而极大的提高产品开发效率。

综上所述，FPGA是原型设计最理想的载体。

本次课题使用FPGA设计数字温度计是一种新颖的设计方法，它能解决使用单片机这种传统设计方法所带来的能源供需以及电路复杂等问题，同时，对温度测量的发展前景有着极其重要的现实研究意义。

1.2课题相关技术的发展

当今电子产品正向功能多元化,体积最小化,功耗最低化的方向发展。

它与传统的电子产品在设计上的显著区别是大量使用大规模可编程逻辑器件，使产品的性能提高，体积缩小，功耗降低。

同时，广泛运用现代计算机技术，提高产品的自动化程度和竞争力，缩短研发周期。

EDA技术正是为了适应现代电子技术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。

美国ALTERA公司的可编程逻辑器件采用全新的结构和先进的技术，加上QUARTUSⅡ开发环境，更具有高性能，开发周期短等特点，十分方便进行电子产品的开发和设计[1]。

EDA技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑映射，编程下载等工作。

最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术[2]。

新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。

可以毫不夸的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。

近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对温度计的要求也越来越高，不管在哪里，人们都想知道此刻的温度和天气状况等一些信息，传统的温度计由于它的局限性以及不方便性，已不能满足人们的需求。

温度计等待一次革命，不管在性能还是在样式上它都将发生质的变化，于是数字温度计的时代悄然来临。

1.3课题的主要研究容

首先在深入研究了数字温度计的总体原理后，分析其系统的组成，做出了该系统相应的整体框架，然后利用QUARTUSⅡ软件进行开发，用VerilogHDL语言描述其数据采集模块、数据处理模块、BCD译码模块、动态扫描模块等各功能模块的设计，并利用图形编辑实现各模块的顶层连接。

最后将程序下载到FPGA芯片上，通过数码显示管显示出预期的测量效果。

1.4论文结构安排

本论文各部分容如下：

第一部分对课题的背景及意义进行研究，了解课题相关技术的发展，最后概述了该课题的主要容和研究方法。

第二部分通过与单片机设计方案进行比较，得到用FPGA设计本课题更加合理的结论，再将AD590与DS18B20温度传感器进行简单比较后，得出用DS18B20更具有优越性，最后介绍本课题最重要的工具QuartusII。

第三部分为系统的硬件设计部分，详细介绍了温度采集模块，数据处理模块，数码显示模块所用得到硬件资源，并介绍了其在设计中的功能。

第四部分为系统软件设计部分，将整个课题按性质分为各个小模块，用VerilogHDL语言进行设计。

第五部分为整个设计的总体编译、结果与分析。

最后对整个课题进行总结，研究其不足之处。

2总体方案的论证

2.1方案的选择

2.1.1总体方案比较

过去数字温度计普遍采用单片机来实现，不过随着可编程逻辑控制器件的不断发展，控制器部分也开始频繁使用可编程逻辑器件来实现功能。

下面分别提供了单片机和FPGA作为控制器的方案，最后进行比较选择。

方案一：

此方案是基于单片机设计数字温度计，使用的是AT89C51单片机处理各个单元电路的工作。

本方案采用的是AD590温度传感器，首先通过温度系统采集相关温度数据，然后经过A/D转换器进行转换，将模拟信号转换成数字信号，并将转换后的数字信号直接送给单片机，再由单片机控制显示。

其框图如图2.1所示。

图2.1基于单片机的数字温度计系统框图

方案二：

此方案以FPGA作为核心控制设备，利用高精度的数字温度传感器DS18B20进行温度采集，将采集到的温度直接以数字信号提供给FPGA控制器，不需要经过A/D转换，采集到的温度可以通过数码管显示。

其框图如图2.2所示。

图2.2基于FPGA的数字温度计系统框图

2.1.2温度传感器的选择

温度传感器的主要作用是感受温度并将感受到的温度转化成可用输出信号，它是温度测量仪器的核心部分。

随着技术的不断发展，温度传感器的品种繁多，下面分别提供了AD590和DS18B20传感器的特性，最后进行比较选择。

方案一：

采用AD590温度传感器

AD590是AD公司制成的电流输出型两端温度传感器，其正向电流与温度成比例。

在4V到30V电压之间，此器件相当于一个高阻抗的恒流源。

AD590具有精度高、线性好等特点，另外它还可以承受4V正向电压和20V反向电压，所以当器件反接时不会被损坏。

但是它也有一些自身的缺点，例如需要模拟转数字电路、成本高、测量点数量少、电路繁多以及对线阻有要求等。

方案二：

采用DS18B20温度传感器

DS18B20是DALLAS公司生产的单总线器件，它具有线路简单、体积小等特点，因此多个DS18B20可以并联在2根或3根线上，只需要一根端口线就可以和很多DS18B20进行通信。

DS18B20不需要模拟转数字电路，只需要一个元件即可测温，此器件还具有成本低、精确度高、信号线距离远等特点。

总而言之，DS18B20的优点可以弥补AD590的缺点，DS18B20温度传感器不需要A/D转换直接可以与FPGA芯片相连，因此，此次课题我们将采用DS18B20作为温度传感器。

2.2方案论证与确立

通过上述方案的比较，利用单片机作为控制器件具有原理简单、电路可靠，易于实现控制功能等优点，然而，这种情况下的温度测量电路和译码电路是比较复杂且易于出错，同时电路产生的误差会大大降低设备的寿命；利用FPGA作为核心控制器件，并且采用高精度数字温度传感器DS18B20，采集温度信号时直接由传感器采集，不需要信号放大和A/D转换，这样做可以大大简化电路连接减少误差，并且使用FPGA芯片可以利用其自身具有的可编程修改的特点避免了在设计过程中的麻烦，采用这种方法既可以为设计过程带来便利，又可以增加市场竞争力。

综上所述，本次设计采用FPGA作为核心器件以及选用DS18B20温度传感器实现其功能，且实现结果是基于QuartusII仿真软件进行验证。

2.3QuartusII介绍

Max+plusII作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。

目前Altera已经停止了对Max+plusII的更新支持。

QuartusII是Altera公司继Max+plusII之后开发的一种针对其公司生产的系列CPLD/PGFA器件的综合性开发软件，具有从设计输入到器件编程的所有功能，并且为用户提供了一整套设计解决方案，能够完成可编程片上系统的整个开发流程，在使用界面上更友好和人性化[3]。

它的版本不断升级，从4.0版本已经更新到13.0版本，本次课题就是使用工具软件

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