基于FPGA的溫控系統在制冷工況中的應用研究

包 妍 ，袁 宏，高明亮 ，杜士鵬

(1．沈陽工業大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽工程學院 自控系，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

目前，相關行業領域一直在不斷探索研究節能、智能、過程簡化的溫度控制方法。本文研究以FPGA芯片為核心的溫度控制系統，將其應用在制冷工況中。

此系統采用自頂向下的設計方法，使用模塊化設計，配以硬件語言編程，只修改源程序，不必更改硬件電路，就可實現在線編程，時時控制，從而有效地減少系統的體積，不但增加了系統可靠性，降低研制成本，并且能夠對控制邏輯進行修改升級，十分靈活。基于FPGA芯片開發的設計方法和控制方式，正得到越來越多的應用[1]。圖1為采用FPGA技術構建的系統結構圖。

圖1 系統結構圖

1 溫度采集電路單元

傳統模擬信號溫度檢測通常使用熱敏電阻等器件作為感溫元件，這類器件需A/D轉換等后續處理電路，且可靠性相對較差，使用中需要解決引線誤差補償、多點測量誤差和放大電路零點漂移誤差等技術問題。另外，溫度采集現場各種電磁干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產生測量誤差，影響測量精度。

為了克服上述一系列問題，本研究采用美國Dallas半導體公司1-Wire系列的高精度數字式溫度傳感器DS18B20。它具有超小體積，超低硬件資源占用率，抗干擾能力強，精度高，附加功能強等諸多優點。

1.1 DS18B20的內部結構

DS18B20的內部結構如圖2[2]所示 。主要由四部分組成：光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發器TH和TL配置寄存器。

圖2 DS18B20 內部結構圖

1.2 DS18B20 測溫原理

DS18B20測溫原理：低溫度系數晶振振蕩固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化振蕩率明顯改變，產生信號作為計數器2脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1預置值減到0時，溫度寄存器值將加1，計數器1的預置重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。

1.3 DS18B20的工作過程

參照圖2，訪問DS18B20的流程：初始化，發送ROM命令，發送功能命令，使主設備知道從設備存在并可以工作。通過發送ROM命令可以知道某特定的DS18B20是否存在或者是否超過溫度設定閘門值。

發送功能命令，即可讀寫DS18B20的存儲區，啟動溫度轉化，設定電源供電方式。每個命令均對應不同代碼，在總線上傳送時，由器件根據接收代碼完成相應操作。DS18B20的單線通信功能為分時完成。主要操作時序分為：初始化、主機寫0、主機寫1、主機讀0、主機讀1。

2 FPGA監測控制單元

2.1 FPGA芯片

本研究采用支持SOPC的芯片EP2C8Q208作為系統控制器。它是Cyclone II系列的FPGA芯片，支持Nios II嵌入式處理器。采用這個系統解決方案可以縮短開發周期、減少器件數目、提高了系統可靠性，使系統易實現、易升級、易移植，具有較強的適應性和可擴展性。

2.2 FPGA通信、控制過程

在FPGA芯片中設計接口，用該接口對溫度傳感器DS18B20進行檢測采集，測得溫度值存入FPGA內部寄存器中作數據處理，計算比較當前熱量值是否足夠達到平衡，使整個系統做出反應進行相應控制，如控制制冷系統閘門開啟個數及報警指示等。

EP2C8Q208通過使用Quartus II軟件、Nios II集成開發環境(IDE)，可以很好地完成對系統的控制。本研究根據系統的偏差變化率來控制，溫度控制系統的結構如圖3所示。

圖3 控制器構成的控制系統結構

(1)

由于采樣過程中采樣周期固定不變，為簡化運算過程，本設計中用偏差變化量來代替偏差變化率，如式(2)所示。

(2)

1)偏差e的計算。由于時刻k時偏差為e(k)=r-c(k)，對于FPGA來說只要一個減法器便可實現運算。設在FPGA設計中當前時刻為n，則偏差E(n)：E(n)=R-C(n)=R+NOT{C(n)}+Cin。一般設定值和實際值都是正數，此時偏差為：

E(n)=R-C(n)={0，R}+NOT{0，C(n)}+Cin

(3)

(4)

式(4)中，X1(n)、X2(n)用來判斷偏差的范圍，X3(n)、X4(n)用來判斷偏差變化率的范圍。

X1(n)=E(n)+E0=E(n)-(-E0)

(5)

根據公式(5)可以推斷偏差的工況，即：

IF Xl(n)符號位為‘1’

THEN Xl(n)<0 //即E(n)< (-E0)

IF Xl(n)符號位為‘0’，

THEN Xl(n)1≥0 //即E(n)≥(-E0)

3 結語

通過對DS18B20數字傳感器結構性能、溫度采集方式、通信過程進行分析，同時對FPGA芯片EP2C8Q208的使用特點進行分析，研究出合理的將二者有機結合，應用于制冷工況的溫度控制方法。該系統時時接收溫度參數，計算比較熱量值是否達到要求，并做出相應的溫度控制，以其非常簡潔的硬件電路、穩定的方式控制系統制冷量。本研究亦可擴展報警指示等功能，具有廣泛應用前景。

[參考文獻]

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