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1、编号 本科生毕业设计基于FPGA的多路温度采集与处理系统的设计FPGA-based Multi-channel Temperature Acquisition and Processing System 2011年 06 月摘要目前温度测量主要通过单片机来实现控制，但单片机是基于顺序语言的，其描述过程繁琐，信号采集频率受单片机始终频率的限制，难于实现高速的温度测量且不易在线修改，由于传感器多数采用的分立元件，如热敏电阻，热电偶等，精度很低，远远不能满足实际使用所需要的高精度测温度要求，笔者采用集成温度传感器，是传统传感器和集成电路融为一体，极大地提高了传感器的性能，具有测温精度高，复现性好、线
2、性优良、体积小、热容量小、稳定性好、输出电信号大等优点。更重要的是采用现场可编程门阵列（FPGA）实现温度测量比采用单片机大大改善设计效果，可实现高速的温度测量。文中阐述了FPGA的实现方法及如何利用FPGA器件实现多路温度测量。由于FPGA具有集成度高，高速、高效率，内部有嵌入式阵列块等特点，易于实现FIFO和ROM，可使整个温度测量系统主要由硬件实现。关键词：fpga，18b20,12864液晶Abstract（居中）Temperature measurement is currently achieved mainly through the MCU control, SCM is ba
3、sed on the order of language, and its description of the process cumbersome, data acquisition frequency of the restrictions by the MCU clock frequency, high-speed temperature measurement is difficult and not easily modified online, the majority of sensors used in discrete components, such as thermis
4、tors, thermocouples, etc., the accuracy is very low, far from meeting the needs of the actual use of precision measuring temperature requirements, the author adopts an integrated temperature sensor, a blend of traditional sensors and integrated circuits, which greatly improved the performance of the
5、 sensor, with temperature measurement, high precision, good reproducibility, good linearity, small size, small heat capacity, good stability and the advantages of large output signals. More important is the use of field programmable gate array (FPGA) to achieve temperature measurements significantly
6、 improve the design than the effect of using single chip, enabling high-speed temperature measurement. Paper describes the FPGA implementation of methods and how to use FPGA devices to achieve multi-channel temperature measurement. The FPGA with high integration, high-speed, high efficiency, the int
7、ernal characteristics of embedded array block, easy to implement FIFO and ROM, make the whole temperature measurement system consists of hardware. Key words:FPGA DS18B20 JM12864目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 引言11.2 研究目的与意义11.3 国内外研究现状综述1第二章 方案论证32.1 传感器的选择32.2 显示电路的选择32.3 主控制部分的选择42.4 系统方案4第三章 基于FPGA的多路温
8、度采集与处理系统的硬件设计53.1 硬件总体设计框图53.2 EP2C5T144C芯片的介绍53.2.1 Cyclone系列FPGA的特点53.2.2 SDRAM控制器83.2.3 配置方式及其特点、用途83.3 光耦的介绍93.3.1 光耦的简介93.3.2 本设计中使用的光耦的介绍103.4 温度传感器18b20的介绍113.5 液晶12864介绍123.5.1 12864的特性123.5.2 管脚定义133.5.3 电路设计14第四章 基于FPGA的多路温度采集与处理系统的软件设计154.1 FPGA内部资源分配154.2 温度传感器18b20的读写时序164.2.1 18b20读写时序
9、的手册介绍164.2.2 18b20读写仿真时序的结果184.3 液晶12864的读写时序184.3.1 手册要求的12864的读写时序介绍184.3.2 初始化流程图224.3.3 仿真结果图24第五章 结论25参考文献26致谢27第一章 绪论1.1 引言温度是现代生活及生产中常见的参数,在工业生产、科研及医疗等需要严格进行温度控制的行业中,需要对温度进行实时监控和处理,就需要精度和自动化水平高、应用范围广的温度采集系统。FPGA器件高速度、高集成、低功耗、体积小,FPGA器件的出现使得数字电路的设计周期和难度都大大减小,在数字电路的设计中得到广泛的应用。本设计采用能适应恶劣环境的数字化温度
10、传感器DS18B20,采用FPGA芯片作数据处理,实现环境温度实时采集及显示。1.2 研究目的与意义（缩进，正文每段开始的缩进好像都有点问题，仔细修改一下）温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新，温度的采集范围要求不断扩大，同时温度的采集准确性要求不断提高。对温度采集的要求也越来越高，因此，温度采集和处理技术的研究也是一个重要的研究课题本设计采用传感器技术、FPGA技术、接口技术完成的是基于FPGA的多路温度采集与处理系统，本设计结果实现16路温度信号的采集电路并实现温度数据的现实，具有测温精度高、复现性好、线性优
11、良、体积小、热容量小、稳定性好、输出电信号大等优点。更重要的是采用现场可编程门阵列（FPGA)实现温度测量比采用单片机大大改善了设计效果，可实现多路的温度测量。然后用12864液晶将温度值显示出来。1.3 国内外研究现状综述近几年，随着需求量的不断增加，FPGA的技术得到了迅速发展。从器件的速度来看，已制成了80MHz时钟频率的高速器件，FPGA的速度已不再成为器件选择的障碍。从集成度来看，实际使用器件已达13000门，可满足ASIC设计需求的75 。美国ATT在1994年第1季度，推出了门数高达1 200022000的FPGA器件(产品)。从工艺上来看，目前正处于从0.8Lm 向0.7 m
12、过渡时期，最近已制成了0.6btm的器件。从总的来看，现在的FPGA的性能相当于2.5Lm时代的门阵列(1985年的水平)，还没有达到固定标准结构程序阶段，也可以说正处于从单一型供货向多种供货的转折期。今后根据用户的需要将不断开发出速度更高，能满足用户价格条件及能成倍增加IO 引脚数的新型器件，以扩大用户的选择范围。温度属于模拟量的采集，也就是数据采集，国内外数据采集领域正发生着重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统正在发展。其次，总线兼容型数据采集插件的数量正在增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。数据采集已长时间地被认为玉数据馈送及其他数据采集系统相等同。在
13、工作时，一些要打印出拷贝，而另一些则把采集的数据馈送给主计算机处理。但是，随着分布式控制在各个领域里越来越普遍的应用，数据采集设备开始同控制设备相结合。第二章 方案论证温度检测系统有共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设
14、计。温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。2.1 传感器的选择方案一：采用热敏电阻，可满足4090测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于1的信号是不适用的。方案二：采用DS18B20温度传感器，测温范围为-55+125，固有测温分辨率0.5。并且线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便1。综上所述，本设计中温度传感器部分采用方案二进行设计。2.2 显示电路的选择方案一：N位的LED显示器是由N个LED显示块拼接的。N个LED显示块有N位位线和8N根段数码线。使用LED数码管显示，该方案控制最简单，但是只能显示非常有限的符号和数字，对于设计中显示功能
15、比较复杂再加上数码管的耗电量比较大。显然不是我们的首要之选。方案二：液晶显示器（LCD）具有工作电压低、微功耗、显示信息量大、接口方便等优点，现在已被广泛应用于计算机、数字式仪表等场合，成为测量结果显示和人机对话的重要工具。液晶显示器按其功能分为三类：笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果，其应用越来越广泛。综上所述，本设计中显示部分采用方案二进行设计。2.3 主控制部分的选择方案一：此方案采用PC机实现。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是在一些环境比较恶劣的场合，由于PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦！方案二：此方案采用FPGA实现，FPGA的高速度、高集成、低功耗、体积小使得数字电路的设计周期和难度都大大减小,在数字电路的设计中得到广泛的应用。FPGA将在60个计数周期内将控制信号传送至温度传感器中,使温度传感器将温度信号送出。通过FPGA编程实现实时采集温度传感器的温度数据,并实时处理采集到的数据,并用液晶12864显示出当前的温度。2.4
