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1、郑州轻工业学院郑州轻工业学院可编程数字系统课程设计题题 目目： 基于基于 FPGA 的数字温度的数字温度计的设计计的设计 成成 绩：绩： 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 学学 号号： 院院 （系）（系）： 电子信息工程学院 指导教师指导教师： 完成时间完成时间： 年 月 日 基于 FPGA 的数字温度计的设计基于基于 FPGAFPGA 的数字温度计的设计的数字温度计的设计摘 要微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，而 EDA 技术的出现则是给现代工业控制以及日常生活带来了极大的方便，大规模可编程逻辑器件 FPGA 以成本低、周期短、可靠性高等特点，给设计人员进行产品开发方
2、面带来了诸多方便。本系统设计的数字温度表正是应用 FPGA 来实现数字温度表的各种相关功能。本文主要介绍采用 EDA 技术自上而下的设计思路，从硬件和软件两个方面阐述了如何通过 FPGA 器件实现数字温度表系统功能，有效的克服了传统的数字温度计的缺点。基于 FPGA 在 Quartus II 9.0 软件下应用 VHDL 语言编写程序,采用 ALTRA 公司 Cyclone 系列的 EP2C5T144 芯片进行了计算机仿真，并给出了相应的仿真结果。此系统利用温度传感器 AD590 采集温度信号，产生的温度信号经过调零、放大处理后，利用 A/D 转换器ADC0804 将模拟信号转换成数字信号，将
3、数字信号送入 EPF10K10LC84-4 进行处理，最后送入显示电路，由数码管显示温度值。该温度表具有结构简单，抗干扰能力强，功耗小，可靠性高，速度快反应时间短等优点。关键词：数字温度表 CPLDFPGA 温度传感器 A/D 转换器基于 FPGA 的数字温度计的设计目 录摘要.1.前言 .111 背景介绍 .112 数字测温系统.12. 系统描述.221 可编程逻辑器件 FPGA.222 FPGA 结构原理与特点 .223 温度传感器 AD590 的介绍 .324 A/D 转换器 ADC0804.425 硬件描述语言 VHDL.626 数字开发工具 Quartus.627 Quartus开发
4、系统的特点.628 Quartus的设计流程.73系统设计方案.831 数字温度表的工作原理 .832 功能模块的设计 .8321 测温模块.8322 温度信号处理模块.9323 模数转换模块.10324 进制转换模块.13基于 FPGA 的数字温度计的设计325 动态扫描模块.1433 系统综合 .164系统的仿真分析及器件下载.1741 系统的仿真分析 .1742 系统的器件下载 .195. 结论.20心得与体会.21参考文献.22附 录.23基于 FPGA 的数字温度计的设计11. 前言11 背景介绍检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。不
5、仅如此，检测还涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前温度计技术的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。目前的温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。温度是一个非常重要的过程量，是工业生产中常见的工艺控制参数之一，它直接影响燃烧、化学反应
6、、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题，由此可知温度控制是生产自动化的重要任务。大规模可编程逻辑器件 CPLD/FPGA，是一种整合性较高的逻辑元件。由于具有高整合性的特点，故利用它进行产品开发，不仅成本低、周期短、可靠性高，而且 PCB 面积及成本也会大大减少。本文介绍了一个以 ALTERA 公司可编程逻辑芯片 EPF10K10LC84-4 为控制核心、附加一定外围电路组成的数字温度控制系统。介绍了数字温度表系统的组成及工作原理，简述了在 EDA 平台上用 FPGA 器件构成该控制系统的设计思想和
7、实现过程。论述了数据采集模块、数据处理模块、BCD 译码模块、动态扫描模块等的设计方法与技巧。12 数字测温系统温度的采集与测量被广泛应用在人们的日常生活中。在现今众多的测温系统中,测温元件常常选用热敏电阻、半导体测温二极管以及集成模拟温度传感器等器件,中间环节则由低通滤波、多路转换、信号放大、模数转换等部分组成。由于以上各类温度传感器及其它器件的互换性差,温漂和非线性误差较大,因此,整个测温系统的测量误差也随之增大;同时,由于中间环节较多,系统抗干扰性能也不理想。本文介绍的是一种基于 FPGA 芯片控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用
8、数字显示，能够及时检测温度变化以及温度变化，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整。基于 FPGA 的数字温度计的设计22. 系统描述21 可编程逻辑器件 FPGA可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是一类半定制的通用性器件，用户可以通过对 PLD 器件进行编程来实现所需的逻辑功能。与专用集成电路 ASIC 相比，PLD 具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势，因而得到了广泛应用，各项相关技术也迅速发展起来，PLD 目前已经成为数字系统设计的重要硬件基础。PLD 从 20 世纪 70 年代发展到现在，已经形成了许多类型的产品，其结构、工艺
9、、集成度、速度等方面都在不断完善和提高。随着数字系统规模和复杂度的增长，许多简单 PLD 产品已经逐渐退出市场，目前使用最广泛的可编程逻辑器件有两类：现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD） 。FPGA 和 CPLD 的内部结构稍有不同，FPGA 即现场可编程门阵列，其全称为Field Programmable Gate Array。通常，FPGA 中的寄存器资源比较丰富，适合同步时序电路较多的数字系统；CPLD 中组合逻辑资源比较丰富，适合组合电
10、路较多的控制应用。在这两类可编程逻辑器件中，CPLD 提供的逻辑资源较少，而 FPGA 提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和极高的性能，已经在通信、消费电子、医疗、工业和军事等各应用领域当中占据重要地位。因此，本文主要针对 FPGA 进行阐述。FPGA 是一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的 Xillnx 公司，该公司于1985 年推出了世界上第一块 FPGA 芯片。在这二十年的发展过程中，FPGA 的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。从最初的 1200 个可用门，90 年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片 FPGA 芯片，Xilinx、Altera
11、 等世界顶级厂商已经将 FPGA 器件的集成度提高到一个新的水平。FPGA 结合了微电子技术、电路技术、EDA 技术，使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量。22 FPGA 结构原理与特点前生产 FPGA 的公司主要有 Xilinx、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic 等，生产的FPGA 品种和型号繁多。尽管这些 FPGA 的具体结构和性能指标各有特色，但它们都有一个共同之处，即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，从而实现不同的设计。典型的 FPGA 通常包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入/输出块
12、和可编程互连资源，基本结构如图 1 所示。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；可编程输入/输出块完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部互连资基于 FPGA 的数字温度计的设计2源包括各基于 FPGA 的数字温度计的设计3种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来，构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。不同厂家或不同型号的 FPGA，在可编程逻辑块的内部结构、规模、内部互连的结构等方面经常存在较大的差异。除了上述构成 FPGA 基本结构的三种资源以外，随着工艺的进步和应用系统需求的发展，一般在 FPGA 中还可能包含以下可选资源：存储器资源（块 RAM、分布式 RAM） ；数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟、时钟锁定） ；算数运算单元（高速硬件乘法器、乘加器） ；多电平标准兼容的 I/O 接口；高速串行 I/O 接口；特殊功能模块（以太网 M
