基于FPGA的温度控制系统设计与实现Word格式文档下载.docx

1、然后用M odelsi m 软件仿真验证了各模块的正确性。最后以水箱为被控对象, 以目前市场上性价比较高的FPGA 芯片EP2C8Q208C8为核心器件, 结合温度传感器DS18B20、键盘、数码管以及固态继电器等器件设计实现了单回路水温PI D 控制系统。在控制温度为3090 的实验条件下, 误差小于1 , 系统输出温度达到微小超调的稳定控制要求。1 系统设计单回路水箱温度控制系统的结构如图1所示, 虚线框内部分是系统的核心, 用一片FPGA 实现。其中, clock 生成器用于将系统时钟分频及产生定时, 用户接口接受用户键盘输入及驱动LED 显示。PI D 控制器用于实现PI D 控制算法

2、, P WM 波发生器用于脉宽调制, 以控制固态继电器的通断来达到控制加热功率的目的。传感器接口用于对温度传感器DS18B20进行数据采样控制。1. 1 PI D 控制器的实现常规PI D 控制器结构清晰、参数调节方便、鲁棒性强, 并且算法简单高效, 在工业现场是应用最广泛的控制器。模拟PI D 控制表达式如1t d e（t u （t k p e（t +e（T d T +T d T i 0d t （1其中, k p 为比例增益, T i 为积分时间常数, T d 为微分时间常数, e（t =r（t -y （t 为偏差, u （t 为控制量。位置型数字PI D 控制算法如式（2u （k =k p

3、 e（k +T ik e（i +T d T i=0k （2=k p e（k +k i e（i +k d e（k -e（k -1 i=0收稿日期:2010-11-30 基金项目:陕西省教育厅基金资助项目（09J K 378 。作者简介:王春侠（1969-, 女, 陕西省眉县人, 陕西理工学院副教授, 主要研究方向为自动控制理论、EDA 技术等。 陕西理工学院学报（自然科学版 第27卷图1 水温控制系统结构图其中, T 为采样周期, k 为采样序号。增量型数字PI D 控制算法如式（3u （k =u （k -u （k -1=k p e（k -e（k -1 +k i e（k +k d e（k -2e

4、（k -1 +e（k -2 所以u （k =u （k -1 + u （k =u （k -1 +u p +u i +u d式中, u p =k p e（k -e（k -1 ,u i =k i e（k , u d =k d e（k -2e（k -1 +e（k -2 。（4 （3用FPGA 实现式（4 时, 需要进行减法运算和乘法运算。乘法器用A ltera 提供的可定制位宽的宏功能模块LP M _MULT 实现。LP M _MULT 具有流水线输出功能, 可以提高乘法运算的速度。对减法运算, 根据 被减数-减数=被减数+（-减数 , 将减法运算变成符号数的加法运算。符号数以补码形式表示, 最高位为

5、符号位, 1 表示负数, 0 表示正数; 其他位为数值位, 负数的数值位等于它的反码加1。在用V erilog HDL 语言表达符号数时, 需要判断符号位来确定正负。描述u d =k d e（k -2e（k -1 +e（k -2 的Verilog HDL 语言代码如下:if（ek_17=1beg i n result_med=（ek_1-1 *2; endelsebeg i n result_med=（ek_1*2-1;d_med=ek+resu lt_m ed+ek_2;if（d_med7=1beg i n d_m ed=（d_med-1 b1; ud=kd *d_m ed ; ud=ud+

6、1 b1;beg in ud=kd *d_med ;u p 和u i 的描述方法依此类推。若采用PI D 控制器的其他结构形式, 只需改变u p , u i 和u d 的形式。1. 2 P WM 波发生器的实现P WM 波发生器根据PI D 控制器的输出量u （k 确定P WM 波在一个采样周期内高低电平的定时值。为了节省整体设计时间和FPGA 资源, 以1/1000采样周期为计数时钟, 先使高电平计数器减法计数直到0, 在此期间, P WM 端口输出高电平, 再使低电平计数器减法计数直到0, 在此期间, P WM 端口输出低电平。P WM 发生器的部分Verilog H DL 源代码如下:/

7、u=u+up+ui+ud ; vs_h=u ; vs_l=16 b0000_0011_1110_1000-u ;if（vs_h=16 b0&（vs_l=16 b0 beg i n flag=0;beg i n第2期 王春侠, 聂翔 基于FPGA 的温度控制系统设计与实现if（vs_h! =16 b0beg i n vs_r=1;=vs_h-1;else if（vs_!l =16 b0=vs_l-1;else flag1. 3 DS18B20接口的实现DS18B20是单总线数字温度传感器, 它将半导体温敏器件、A /D转化器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上, 传感器直接输出温度信号数字值的

8、补码。具有微型化、低功耗、高性能、抗扰能力强、易于接口等优点, 适合于水温测控系统。DS18B20接口通过单总线对温度传感器DS18B20进行的操作主要包括初始化, 发送ROM 命令, 发送功能命令。而这些操作反复进行, 适合用状态机实现。使用状态机不仅克服了纯硬件数字顺序方式控制不灵活的缺点, 而且在性能上优于CP U 。另外, 状态机构成性能良好的同步时序, 可以有效克服竞争 冒险现象。DS18B20接口状态机由如图2所示的8个状态组成:（1 RESET1:对DS18B20进行初始化, 等待600 s 后进入J UDGE 。（2J UDGE :检测DS18B20是否存在。若不存在, 返回R

9、ESET1; 否则延时400 s 后进入SK I P1。（3 SK I P1:向DS18B20发送跳过ROM 匹配命令, 然后进入CONVERT 。（4 CONVERT:向DS18B20发送启动温度转换命令, 等待750 s 后进入RESET2。（5 RESET2:对DS18B20复位, 等待600 s 后进入SK I P2。（6 SK I P2:向DS18B20发送跳过ROM 匹配命令, 然后进入GET 。（7 GET :从DS18B20中读取温度测量值, 然后进入STORE 。（8 STORE :把所读取的温度测量值放入寄存器中, 返回原始状态。其中CONVERT 和GET 两个状态嵌套使

10、用了状态机, 以完成DS18B20严格的写和读时序。1. 4 顶层模块设计采用自上向下的设计方法将FPGA 实现的功能分成DS18B20驱动模块、PI D 控制算法及P WM 波产生模块和显示驱动模块等3个功能模块。DS18B20驱动模块实现1 s 信号的产生、延时和DS18B20接口状态机。PI D 控制算法及P WM 波产生模块实现采样时钟信号的产生、初始温度屏蔽、温度设定、PI D 算法以及P WM 波的产生。显示驱动模块实现动态扫描显示时钟信号的产生、段码和位码的译码, 以驱动4个七段数码管动态扫描显示百位、十位、个位和小数位数据。将这3个模块分别用V eril o g H DL 设计

11、成功后, 在顶层模块中进行例化的源代码为:m odule mydesi g n （input CLOCK_50,input Q_KEY,inou tDS18B20,output 7:0o_seg,output 3:0o_se,loutput vs;w ire 15:0t_bu;fw ire 8:0vs_h;/获取温度值/ 17图2 DS18B20接口状态机/板载50MH z 时钟/板载按键RST /七段数码管段脚/七段数码管位脚ds18b20_driveds18b20_u0（. clk（CLOCK _50,. rst_n（Q_KEY,. one_wire（DS18B20,. te m pera

12、t u re（t_buf/显示温度值/seg7x8_driveseg7_u0（. i_clk（CLOCK _50,. i_rst_n（Q _KEY,. i_data（t_buf,. o_seg（o _seg,. o_sel（o_sel/控制温度/te mp_pi d u1（. c l k （CLOCK_50,. te m p_data（t_buf15:4,. vs（vsendm odu le2 测试及实验结果设给定值r=60, 温度采样值te m _data=25, kp=100, k i=0, kd=1, c l k =50MH z , rst_n=1。PI D 控制算法及P WM 波产生模

13、块测试文件的时序图如图3所示。可见, 初始位置ek=35, 初始温度屏蔽有效（屏蔽标志flag1=1; 采样时钟信号flag 的周期为1s ; P WM 波vs 与其高低电平计数值vs_h、vs_l 及占空比标志flag3的关系是正确的。图3 测试文件时序图以水箱为被控对象, 以EP2C8Q208C8为核心, 采用DS18B20采集温度数据, P WM 调功方式控制过零型交流固态继电器ASRP-1, 4个共阴极数码管作温度显示器, 构建水温控制系统并进行了实验测试。在控制温度为3090 的实验条件下, 误差小于1 , 系统达到微小超调的稳定控制要求。 参 考 文 献 1 王春侠. 平面交叉路口

14、多相位交通信号控制系统设计J.陕西工学院学报, 2004, 20（2:4-6.2 王春侠. 基于面积等效法的SPWM 发生器的设计J.微计算机信息, 2008, 24（2:216-217, 104.3 张军利. 单周控制D S TATCOM 的建模及实现J.陕西理工学院学报（自然科学版, 2009, 25（1:22-26.4 薛弘晔, 郑晓华. 基于L ab W i ndo w s /CVI 的电液伺服控制系统的设计J.陕西理工学院学报（自然科学版, 2009,25（3:41-44.5 于宗光. SoC 和FPGA 技术未来的发展趋势J.电子与封装, 2006, 6（3:1-5.6 李林. F

15、PGA 在集成电路瞬态特性测试中的应用J.陕西理工学院学报（自然科学版, 2011, 27（1:21-26.7 王水鱼, 王晓芬. 基于FPGA 和PC 机的客流统计系统设计J.陕西理工学院学报（自然科学版, 2010, 26（1:11-15.8 姚琳. 在嵌入式系统中用FPGA 进行开发的几个发展方向J.今日电子, 2007（6:125-127.9 付学志. 基于FPGA 的高速P I D 控制器设计与仿真J.电子技术应用, 2007（1:87-89.责任编辑:李少凌D esi gn and i m ple m entati on of te mperature control syste

16、m based on FP GAWANG Chun x ia , N IE X iang 12（1. Depart m ent of E lectrical Eng ineeri n g , Shaanx iUn i v ersity of Techno l o gy , H anzhong 723003, China ;2. D epart m ent o f E lectron ics&I nfor m ation Eng i n eeri n g ,Shaanx iUniversity o fTechnology , H anzhong 723003, Chi n aAbst ract

17、: B ased on FPGA, the w ater tank te m perature control syste m is desi g ned and i m p le m ented w it h DS18B20as t h e te m perature sensor . The soft w are syste m m a i n ly consists of three m odu les , i n cl u ding PI D contro l algor ith m and P WM w ave generating m odu le , DS18B20dr i v

18、i n g m odule and LED display driv i n g m od u le . The si m u lation w ith M odelsi m vali d ates tha t the desi g n resu lt is correc. t The experi m ent resu lts indicate t h at t h e syste m outpu t obta i n s the resu lt of little overshoot and stabilizati o n , wh ich sho w s that the approac

19、h o f desi g n is e ffective and practica. lK ey w ords : FPGA; verilog HDL ; PI D control algorithm; te mperature m easuri n g w ith DS18B20 （上接第14页O n creative desi gn of landscape garageSUN Zh i xue（Schoo l o fM echanical Eng i n eer i n g , Shaanx iUn i v ersity of Techno l o gy , H anzhong 7230

20、03, China By research i n g and ana l y zi n g presen t par k i n g pr oble m s i n co mm un ities , th is paper puts for w ard t h e desi g n idea of co m b i n i n g the co mm un ity landscape w ith the parking space , then the concept o f land scape garage is i n troduced , and then m u ltiple so

21、 l u ti o ns are discussed to t h e private cars parking i n co mm uni ties by the m ethod o f brai n stor m ing . The she ll pro ject is deve loped in deta il accord i n g to t h e Fuzzy Assess m ent Theory the structure , shape , effect p ictures are fi n ished prec ise l y . This design of integ rati n g land scape w ith garage beautifies t h e env ironm en, t greatly i m proves space utilization , and eases the parking prob le m s . garage ; landscape ; landscape garage ; parking 19