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1、湖北科技学院计算机学院FPGA原理及应用课程设计课设题目： 温度传感器系统院 系： 计算机科学与技术专 业： 物联网工程学生姓名：学 号： 学生姓名：学 号： 学生姓名：学 号： 学生姓名：学 号： 指导教师： 2014 年 12 月目录一 课程设计目的1二 课程设计题目描述和要求12.1课程设计题目描述12.2温度传感器检测标准及技术1三 课程设计报告内容23.1 设计方案23.2 设计方案论证2四 硬件各部分工作原理24.1 FPGA芯片简介24.2 标准温度测量模块64.3 RS-232串口通信模块74.4 LCD1602液晶显示7五 系统电路原理框图9六 软件设计96.1 软件原理框图
2、96.2 时序分析10七 误差分析11八 程序设计118.1 主要代码118.2 液晶显示程序17九 总结20十 参考文献21村民建房委员会应建立村级农房建设质量安全监督制度和巡查制度，选聘有责任心和具有一定施工技术常识的村民作为义务巡查监督员，开展经常性的巡查和督查。21一 课程设计目的 温度是一种最基本的环境参数,人们的生活与环境的温度息息相关,在工业生产过程中需要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量,因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器,温度传感器的发展经历了三个发展阶段:传统的分立式温度传感器;模拟集成温度传感器;智能集成温度传感器。目前,国际
3、上新型温度传感器正从模拟式向数字式,从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。本文将介绍采用智能集成温度传感器DS18B20,并以FPGA为控制器的温度测量装置的硬件组成和软件设计，用液晶来实现温度显示。二 课程设计题目描述和要求2.1课程设计题目描述这次基于FPGA温度监测系统设计的课程设计由总体框架构成下，各个部分模块的拼接与联系，在Quartus软件的基础上实现温度监测的功能。首先硬件由DS18B20温度传感器，1602液晶，发光二极管，按键等组成；软件部分由二分频电路，键盘电路和弹跳消除电路组成；最后将硬件和软件合理的结合形成温度监测系统。该实验采用由总到分再到总的实验模式，在总体思路下
4、各硬件电路的实现以及软件电路的辅助之后再总的合并，即完成该课程设计。其中软件的形成需要我们熟悉掌握Quartus软件，由原理图程序编写程序编译程序修改再次编译管脚定义程序下载程序加载硬件测试的过程。2.2温度传感器检测标准及技术1、测量准确度：0.01级;分辨率0.1uV和0.1m；2、扫描开关寄生电势：0.4V；3、温度范围： 水槽：(室温+595) 油槽：(95 300) 低温恒温槽：(-80 100) 高温炉：(3001200)；4、控温稳定度：优于0.01/10min(油槽、水槽、低温恒温槽);0.2/min(管式检定炉)；5、总不确定度：热电偶检定，测量不确定度优于0.7，重复性误差
5、0.25;热电阻检定测量不确定度优于50mk，重复性误差10mk；6、工作电源：AC220V10%，50Hz，并有良好保护接地；三 课程设计报告内容3.1 设计方案（1） 查阅相关文献资料，熟悉所选FPGA芯片及温度传感器（2）总体设计方案规划（3）系统硬件设计，熟悉AD转换原理及过程，温度传感器与FPGA芯片的硬件接口实现及温度显示。（4）系统软件设计，包括温度的AD转换及显示的软件实现，用VHDL语言编程。（5）设计心得体会及总结。3.2 设计方案论证有许多客观需求促进了FPGA芯片的设计改进。首先，便携式的嵌入式系统往往需要电池供电。为降低功耗，FPGA芯片已被特殊设计成较小的核，从而延
6、长了电池的使用时间。高的代码密度是嵌入式系统的又一个重要需求。由于成本问题和物理尺寸的限制，嵌入式系统的存储器是很有限的。所以，高的代码密度对于那些只限于在板存储器的应用是非常有帮助的。 另外，嵌入式系统通常都是价格敏感的，因此一般都使用速度不高、成本较低的存储器。FPGA芯片不是一个纯粹的RISC体系结构，这是为了使它能够更好的适应其主要应用领域嵌入式系统。在某种意义上，甚至可以认为FPGA芯片的成功，正是因为它没有在RISC的概念上沉入太深。现在系统的关键并不在于单纯的处理器速度，而在于有效的系统性能和功耗。 在本系统的设计过程中，根据嵌入式系统的基本设计思想，系统采用了模块化的设计方法，
7、并且根据系统的功能要求和技术指标，系统遵循自上而下、由大到小、由粗到细的设计思想，按照系统的功能层次，在设计中把硬件和软件分成若干功能模块分别设计和调试，然后全部连接起来统调。四 硬件各部分工作原理4.1 FPGA芯片简介目前以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简 单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flipfl
8、op）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方
9、法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑
10、功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程. FPGA电源要求输出电压范围从1.2V到5V，输出电流范围从数十毫安到数安培。可用三种电源：低压差(LDO)线性稳压器、开关式DC-DC稳压器和开关式电源模块。最终选择何种电源取决于系统、系统预算和上市时间要求。如果电路板空间是首要考虑因素，低输出噪声十分重要，或者系统要求对输入电压变化和负载
11、瞬变做出快速响应，则应使用LDO稳压器。LDO功效比较低（因为是线性稳压器），只能提供中低输出电流。输入电容通常可以降低LDO输入端的电感和噪声。LDO输出端也需要电容，用来处理系统瞬变，并保持系统稳定性。也可以使用双输出LDO，同时为VCCINT和VCCO供电如果在设计中效率至关重要，并且系统要求高输出电流，则开关式稳压器占优势。开关电源的功效比高于LDO，但其开关电路会增加输出噪声。与LDO不同，开关式稳压器需利用电感来实现DC-DC转换。 为确保正确上电，内核电压VCCINT的缓升时间必须在制造商规定的范围内。对于一些FPGA，由于VCCINT会在晶体管阈值导通前停留更多时间，因此过长的
12、缓升时间可能会导致启动电流持续较长时间。如果电源向FPGA提供大电流，则较长的上电缓升时间会引起热应力。ADI公司的DC-DC稳压器提供可调软启动，缓升时间可以通过外部电容进行控制。缓升时间典型值在20ms至100ms范围内。许多FPGA没有时序控制要求，因此VCCINT、VCCO和VCCAUX可以同时上电。如果这一点无法实现，上电电流可以稍高。时序要求依具体FPGA而异。对于一些FPGA，必须同时给VCCINT和VCCO供电。对于另一些FPGA，这些电源可按任何顺序接通。多数情况下，先给VCCINT后给VCCO供电是一种较好的做法。当VCCINT在0.6V至0.8V范围内时，某些FPGA系列
13、会产生上电涌入电流。在此期间，电源转换器持续供电。这种应用中，因为器件需通过降低输出电压来限制电流，所以不推荐使用返送电流限制。但在限流电源解决方案中，一旦限流电源所供电的电路电流超过设定的额定电流，电源就会将该电流限制在额定值以下。对于高速、高密度FPGA器件，保持良好的信号完整性对于实现可靠、可重复的设计十分关键。适当的电源旁路和去耦可以改善整体信号完整性。如果去耦不充分，逻辑转换将会影响电源和地电压，导致器件工作不正常。此外，采用分布式电源结构也是一种主要解决方案，给FPGA供电时可以将电源电压偏移降至最低。在传统电源结构中，AC/DC或DC/DC转换器位于一个地方，并提供多 个输出电压
14、，在整个系统内分配。这种设计称为集中式电源结构 (CPA)，见左图。以高电流分配低电压时，铜线或PCB轨道会产生严重的电阻损耗，CPA就会发生问题。 CPA的替代方案是分布式电源结构(DPA)，见左图。采用DPA时，整个系统内仅分配一个半稳压的DC电压，各DC/DC转换器（线性或开关式）与各负载相邻。DPA中，DC/DC转换器与负载（例如FPGA）之间的距离近得多，因而线路电阻和配线电感引起的电压下降得以减小。这种为负载提供本地电源的方法称为负载点(POL)。 目前主流的FPGA仍是基于查找表技术的，已经远远超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能（如RAM、时钟管理和DSP）的硬核（AS
15、IC型）模块。如图1-1所示（注：图1-1只是一个示意图，实际上每一个系列的FPGA都有其相应的内部结构），FPGA芯片主 要由7部分完成，分别为：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。FPGA基本特点：1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5) FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPG
