基于FPGA的溫控電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文主要介紹了基于FPGA芯片實(shí)現(xiàn)智能溫控系統(tǒng)的過程。使用Altera公司的CycloneII系列的EP2C20F484C7作為主控芯片，通過溫度傳感器DS18B20采集實(shí)時(shí)溫度值，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算后，再送入電平轉(zhuǎn)換電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路后，輸出相應(yīng)占空比的PWM波控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)溫控調(diào)速。

關(guān)鍵詞：溫度采集；FPGA；PWM波；電平轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 10-0000-01

溫度控制系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、控制儀表、國防、工程建設(shè)、科研等日常生活領(lǐng)域都占有重要地位。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)。智能溫度控制系統(tǒng)廣泛滲透于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，適用于汽車、家電、電力電子、材料等行業(yè)。

由于FPGA的集成度高，靈活性好，運(yùn)行速度快，開發(fā)周期短等優(yōu)勢，基于FPGA開發(fā)的設(shè)計(jì)方法和控制方式，得到越來越多的應(yīng)用。此系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，使用模塊化設(shè)計(jì)，使用VHDL語言編程，實(shí)時(shí)采集溫度值，根據(jù)設(shè)定的不同溫度值，產(chǎn)生出不同占空比的PWM波，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的。圖1是溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

一、溫度采集電路單元

傳統(tǒng)的模擬溫度采集傳感器通常采用熱敏電阻等器件作為敏感元件，若使用這類模擬器件進(jìn)行溫度采集，就需要先對(duì)采集到的小信號(hào)經(jīng)過放大電路，然后再通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)送給FPGA芯片進(jìn)行處理。這樣一來，電路相對(duì)比較復(fù)雜，使用中要解決放大電路零點(diǎn)漂移誤差、引線誤差等問題，同時(shí)模擬溫度信號(hào)容易受到采集現(xiàn)場的各種電磁干擾信號(hào)而產(chǎn)生測量誤差，影響采集信號(hào)的準(zhǔn)確度和精度。

為了克服以上的問題，本系統(tǒng)采用高精度數(shù)字傳感器DS18B20，此器件是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器芯片，具有3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測溫度用16位補(bǔ)碼方式串行輸出；FPGA控制器只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少。可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。

本系統(tǒng)測量溫度采用溫度傳感器芯片DS18B20，它可以將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，不需要使用A/D轉(zhuǎn)換芯片，提高了采集效率和準(zhǔn)確度，大幅減小了測量誤差。FPGA控制器讀取單總線溫度傳感器DS18B20所發(fā)出溫度信號(hào)的16位串行數(shù)字量。DS18B20讀取溫度值，要經(jīng)過一系列程序：初始化、發(fā)送跳過ROM指令（0xcc）、發(fā)溫度轉(zhuǎn)換指令（0x44）、再次初始化、發(fā)送跳過ROM指令（0xcc）、發(fā)送讀取溫度指令（0xbe），然后讀取兩個(gè)字節(jié)16位的溫度值，先讀取低字節(jié)，再讀取高字節(jié)。高字節(jié)的低4位及低字節(jié)的高4位組成的一個(gè)字節(jié)是實(shí)測溫度值的整數(shù)部分的補(bǔ)碼，（低字節(jié)的低4位表示實(shí)測溫度的小數(shù)值），僅顯示整數(shù)部分的話，只需返回新組成的那一個(gè)字節(jié)值。

二、FPGA控制器

本系統(tǒng)使用Altera公司的CycloneII系列的EP2C20F484C7作為主控芯片。控制器核心板采用友晶科技DE1開發(fā)板，內(nèi)建USB Blaster電路用于FPAG程序下載或控制外圍電路，支持JTAG與AS模式，使用Altera EPCS4序列EEPROM，高達(dá)50MHz的振蕩器，配有72個(gè)I/O接腳以及8個(gè)電源與接地接腳，同時(shí)還有4個(gè)按鈕開關(guān)10個(gè)滑動(dòng)開關(guān)，16個(gè)LED等及4個(gè)靜態(tài)八段數(shù)碼管等等資源。使用開發(fā)板性能穩(wěn)定，外圍電路簡單，并且調(diào)試方便。

通過使用QuartusII軟件，用VHDL語言編寫狀態(tài)機(jī)程序控制DS18B20工作，F(xiàn)PGA讀取出溫度傳感器采集到的溫度值的數(shù)字量，根據(jù)得到的數(shù)字量的大小，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)程，改變產(chǎn)生PWM波形進(jìn)程中的計(jì)數(shù)信號(hào)，從而產(chǎn)生于不同的占空比的信號(hào)，最后在I/O端口輸出受溫度控制的PWM波，用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

三、電平轉(zhuǎn)換及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在新一代電子電路設(shè)計(jì)中，由于各類芯片越來越注重低功耗的設(shè)計(jì)，所以低電壓邏輯使用的情況越為普遍，低電壓邏輯的引入常常會(huì)使得系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)輸入/輸出邏輯不匹配的問題，可以引入電平轉(zhuǎn)換芯片。FPGA芯片輸出邏輯高電平電壓值為3.3v，次系統(tǒng)電機(jī)電壓卻為5v，為了讓電機(jī)能獲得較大功率，故引入電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245。由于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)需要較大電流，而FPGA等芯片產(chǎn)生的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較差，故必須接入驅(qū)動(dòng)電路或者使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。此系統(tǒng)可采用低成本的H橋驅(qū)動(dòng)電路。

四、結(jié)束語

本文對(duì)溫度采集系統(tǒng)、FPGA控制器、電平轉(zhuǎn)換以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路幾個(gè)方面進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了溫控電機(jī)系統(tǒng)。本系統(tǒng)調(diào)試方便，硬件電路成本較低。后續(xù)對(duì)系統(tǒng)還可以做進(jìn)一步改進(jìn)，比如引入溫度顯示模塊和電機(jī)測速模塊，以便實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使得控制系統(tǒng)更加精準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

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