基于FPGA的多功能温度控制器设计

基于FPGA的多功能温度控制器设计

摘    要

本论文所设计的是一个基于FPGA的多功能数字温度控制器。本设计克服了传统数字温度计精度低的缺点，并且除了传统温度计的测量温度功能外还具有一定的控制功能，能更好的对所测量的温度进行处理，控制模块的加入让其比传统温度计具有更强的实用性。本设计采用EDA技术自上而下的设计思路，对系统的结构划分为温度采集模块、温度显示模块、输入数据对比模块，输出控制模块。在Quartus II软件下应用VHDL语言进行电路设计并仿真，根据仿真的结果。该方案能够较好的实现测温功能并且能对温度进行有效的控制。

关键字：温度控制；FPGA；VHDL；

目    录

第1章  绪论       
1.1 课题背景及国内外研究概况       
1.2 课题相关技术发展       
1.3 课题研究的必要性       
1.4 课题研究的主要内容       
1.5 课题所设计的温度控制器的优点       
第2章  FPGA的简介       
2.1 FPGA的概述       
2.2 FPGA的基本结构       
2.3 FPGA系统设计流程       
2.4 FPGA开发编程原理       
第3章  DS18B20温度传感器简介       
3.1 传统温度采集器件的简述       
3.2 DS18B20的引脚       
3.3 DS18B20内部结构       
3.4 DS18B20的时序       
3.5 DS18B20的工作原理       
3.6 DS18B20的性能特点
3.7 DS18B20使用过程中的注意事项       
第4章 QUARTERS II软件简介       
4.1 QUARTUS II软件概况       
4.2 软件界面简介       
4.3  QUARTUSII的设计流程       
第5章  温度控制器的设计总流程       
5.1 温度控制器系统结构图       
5.2 DS18B20温度采集模块的驱动设计       
5.3 FPGA温度显示模块的设计       
5.4 FPGA数据比较模块的设计       
5.5 FLEX 10K开发箱上的下载       
第6章  结论       
附  录       

基于FPGA的多功能温度控制器设计

第1章  绪论
1.1 课题背景及国内外研究概况
温度控制无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，而在当今，我国农村锅炉取暖，农业大棚，养鸡场内等多数都没有实用的温度控制系统，还有部分厂矿，企业还一直沿用简单的温度设备和纸质数据记录仪，无法实现温度数据的实时测量与控制。随着社会经济的高速发展，越来越多的生产部门和生产环节对温度控制精度的可靠性和稳定性等有了更高的要求，而且随着人们日常生活的不断提高，传统的温度控制器越来越不能满足人们生活中的需要并且传统温度控制器的精度也已经不能满足对温度要求较为苛刻的生产环节。
1.2 课题相关技术发展
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。现在的电子产品在设计上与传统的电子产品相比较，显著的区别在于其大量地使用了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。同时广泛运用了现代计算机技术，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，加上或最新的QUARTUS II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。
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。
1.3 课题研究的必要性
随着社会的不断发展，新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变着我们的生活，改变着我们的世界。近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对温度控制器的要求也越来越高，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，传统的温度控制器由于它的局限性以及不方便性，已不能满足人们的需求。温度控制器需要一次革命，不管是在性能还是在样式上都将发生质的变化，于是数字温度控制器的时代悄然来临了。
1.4 课题研究的主要内容
本设计主要研究的是基于FPGA的数字温度控制器，要求温度采集准确精确，并且能够自行设定阈值温度。当温度超过阈值温度后，FPGA启动控制功能，根据实际需要驱动控制器件，实现对温度的调节。
1.5 课题所设计的温度控制器的优点
（1）        读数快且不用估读。数显温度计读数特别快, 因为只要将显示器上的数字读出即可, 不用估读, 节省时间。
（2）        测量的精度高。因为能读出0.01 , 比用精度为1或0.1的温度计测量精度大大提高。
（3）        测量时间短。数显温度计的热容量小,达到热平衡所需的时间短, 对待测物体的温度影响小。
（4）        电路简单。本测温系统的电路很简单, 所用的原件少, 且造价很低。
（5）        测温区域宽。比一般的温度计测量温度的区域宽。
（6）        可进行远距离测量。将本温度控制器的导线延长, 完全可进行远距离的测量。
（7）        可进行自动控制。与计算机联网, 可进行自动测温、自动控温测量。
（8）        应用广。该温度控制器可用于所有的测温场合,不受其他的条件限制。
（9）        灵活性强。可根据实际的需要替换元件后便能控制不同的器件。

第2章  FPGA的简介
2.1 FPGA的概述
FPGA是现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）的简称，与之相应的CPLD是复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD/PGFA。CPLD/PGFA几乎能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路。它如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入或硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真可以事先验证设计的正确性，在PCB完成以后，利用CPLD/FPGA的在线修改功能，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用CPLA/FPGA开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。这些优点使得CPLA/FPGA技术在20世纪90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言VHDL的进步。
2.2 FPGA的基本结构
FPGA具有掩膜可编程门阵列的通用结构，它由逻辑功能块排成阵列，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块来实现不同的设计。
FPGA一般由3种可编程电路和一个用于存放编程数据的静态存储器SRAM组成。这3种可编程电路是：可编程逻辑模块、输入/输出模块（IOB--I/O Block）和互连资源。可编程逻辑模块CLB是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则的排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程输入/输出模块（IOB）主要完成芯片上的逻辑与外部封装脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互连资源包括各种长度的连接线段和一些可编程连接开关，它们将各个CLB之间或CLB、IOB之间以及IOB之间连接起来，构成特定功能的电路。
（1）        CLB是FPGA的主要组成部分。图2-1是CLB基本结构框图，它主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。CLB中3个逻辑函数发生器分别是G、F和H，相应的输出是G’、F’和H’。G有4个输入变量G1、G2、G3和G4；F也有4个输入变量F1、F2、F3和F4。这两个函数发生器是完全独立的，均可以实现4输入变量的任意组合逻辑函数。逻辑函数发生器H有3个输入信号；前两个是函数发生器的输出G’和F’，而另一个输入信号是来自信号变换电路的输出H1。这个函数发生器能实现3输入变量的各种组合函数。这3个函数发生器结合起来，可实现多达9变量的逻辑函数。
CLB中有许多不同规格的数据选择器（四选一、二选一等），通过对CLB内部数据选择器的编程，逻辑函数发生器G、F和H的输出可以连接到CLB输出端X或Y，并用来选择触发器的激励输入信号、时钟有效边沿、时钟使能信号以及输出信号。这些数据选择器的地址控制信号均由编程信息提供，从而实现所需的电路结构。
CLB中的逻辑函数发生器F和G均为查找表结构，其工作原理类似于ROM。F和G的输入等效于ROM的地址码，通过查找ROM中的地址表可以得到相应的组合逻辑函数输出。另一方面，逻辑函数发生器F和G还可以作为器件内高速RAM或小的可读写存储器使用，它由信号变换电路控制。
（2）        输入/输出模块IOB。IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接。它主要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发/锁存器、输出缓冲器组成。
每个IOB控制一个引脚，它们可被配置为输入、输出或双向I/O功能。当IOB控制的引脚被定义为输入时，通过该引脚的输入信号先送入输入缓冲器。缓冲器的输出分成两路：一路可以直接送到MUX，另一路经延时几纳秒（或者不延时）送到输入通路D触发器，再送到数据选择器。通过编程给数据选择器不同的控制信息，确定送至CLB阵列的I1和I2是来自输入缓冲器，还是来自触发器。

图2-1 CLB基本结构

当IOB控制的引脚被定义为输出时，CLB阵列的输出信号OUT也可以有两条传输途径：一条是直接经MUX送至输出缓冲器，另一条是先存入输出通路D触发器，再送至输出缓冲器。
IOB输出端配有两只MOS管，它们的栅极均可编程，使MOS管导通或截止，分别经上拉电阻接通Vcc、地线或者不接通，用以改善输出波形和负载能力。
（3）        可编程互连资源IR。可编程互连资源IR可以将FPGA内部的CLB和CLB之间、CLB和IOB之间连接起来，构成各种具有复杂功能的系统。IR主要由许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。

2.3 FPGA系统设计流程
一般说来，一个比较大的完整的项目应该采用层次化的描述方法：分为几个较大的模块，定义好各功能模块之间的接口，然后各个模块再细分去具体实现，这就是TOP DOWN（自顶向下）的设计方法。目前这种高层次的设计方法已被广泛采用。高层次设计只是定义系统的行为特征，可以不涉及实现工艺，因此还可以在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网络表，使工艺转化变得轻而易举。CPLD/FPGA系统设计的工作流程如图2-2所示。

图2-2 CPLD/FPGA系统设计流程

FPGA工作流程说明如下：
（1）        工程师按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。
（2）        输入VHDL代码，这是设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式（框图、状态图等），这种输入方式具有直观、容易理解的优点。
（3）        将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。
（4）        进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性。这一步骤适用于大型设计，因为对于大型设计来说，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间。一般情况下，这一仿真步骤可略去。
（5）        利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网络表文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库的支持下才能完成。
（6）        利用产生的网络表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，是较为粗略的。一般的设计，也可略去这一步骤。
（7）        利用适配器将综合后的网络表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。
（8）        在适配完成后，产生多项设计结果：（a）适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；（b）适配后的仿真模型；（c）器件编程文件。根据适配后的仿真模型，可以进行适配后时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延特性），所以仿真结果能比较精确的预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求，就修改VHDL源代码或选择不同速度和品质的器件，直至满足设计要求。
最后将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片CPLD/FPGA中。

2.4 FPGA开发编程原理
硬件设计需要根据各种性能指标、成本、开发周期等因素，确定最佳的实现方案，画出系统框图，选择芯片，设计PCB并最终形成样机。
CPLD/FPGA软件设计可分为两大块：编程语言和编程工具。编程语言主要有VHDL和Verilog两种硬件描述语言；编程工具主要是两大厂家Altera和Xilinx的集成综合EDA软件（如MAX+plusII、QuartusII、Foundation、ISE）以及第三方工具（如FPGA Express、Modelsim、Synposys SVS等）。具体的设计输入方式有以下几种：
（1）        HDL语言方式。HDL既可以描述底层设计，也可以描述顶层的设计，但它不容易做到较高的工作速度和芯片利用率。用这种方式描述的项目最后所能达到的性能与设计人员的水平、经验以及综合软件有很大的关系。
（2）        图形方式。可以分为电路原理图描述，状态机描述和波形描述3种形式。有的软件3种输入方法都支持。电路原理图方式描述比较直观和高效，对综合软件的要求不高。一般大都使用成熟的IP核和中小规模集成电路所搭成的现成电路，整体放到一片可编程逻辑器件的内部去，所以硬件工作速度和芯片利用率很高，但是当项目很大的时候，该方法就显得有些繁琐；状态机描述主要用来设计基于状态机思想的时序电路。在图形的方式下定义好各个工作状态，然后在各个状态上输入转换条件以及相应的输入输出，最后生成VHDL语言描述，送去综合软件综合到可编程逻辑器件的内部。由于状态机到VHDL语言间有一种标准的对应描述方式，所以这种输入方式最后所能达到的工作速度和芯片利用率主要取决于综合软件；波形描述方式是基于真值表的一种图形输入方式，直接描述输入与输出的波形关系。这种输入方式最后所能达到的工作速度和芯片利用率也主要取决于综合软件。

第3章  DS18B20温度传感器简介

3.1 传统温度采集器件的简述

温度采集时可用的器件主要有模拟器件(热敏电阻，晶体三极管等)和数字温度传感器。
传统方法多以热电阻和热电偶等为温度敏感元件，但都存在可靠性差，准确度和精度低的缺点。由这些温度传感器构成的温度测控系统大多存在两大缺点：其一，需要大量的连线才能把现场传感器的信号送到采集卡上，布线施工麻烦，成本也高；其二，线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗。

3.2 DS18B20的引脚
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
DS18B20引脚定义如下：
（1）DQ为数字信号输入/输出端。
（2）GND为电源地。
（3）VDD为外接供电电源输入端。

图3-1 DS18B20外形及引脚排列




      

温度控制器需要一次革命