基于FPGA和LM75A的測溫系統設計

劉歡，歐偉明，陳財彪，周志偉

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

基于FPGA和LM75A的測溫系統設計

劉歡，歐偉明，陳財彪，周志偉

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

設計了一種基于FPGA和LM75A的溫度測量系統。硬件設計上，系統以EP4CE15F17C8N為主控芯片，采用數字溫度傳感器LM75A檢測環境溫度，并利用LM75A自帶的IIC總線接口傳輸數據，通過數碼管將溫度實時顯示出來；軟件設計上，采用自頂向下模塊化設計思想，先設計出IIC通信模塊、溫度顯示模塊，然后再編寫頂層模塊，將2個模塊整合。試驗結果表明，本系統測溫精確，且運行穩定。

溫度采集；FPGA；LM75A；EP4CE15F17C8N；IIC總線

0 引言

EP4CE15F17C8N是由Altera公司2009年推出的Cyclone IV FPGA（field-programmable gate array）芯片。Cyclone IV FPGA所需的供電電源很少，在電路設計中，可以使用相對簡單的電源穩壓器以及相關的濾波器電路，這樣電源分配網絡得到簡化，電路板面積也將減小，進一步降低了成本[1]。由于FPGA非常的靈活，其產品能比大部分新開發的A S I C（application specific integrated circuit）或者ASSP（application specific standard parts）產品更迅速地推向市場，因此FPGA具有增加新功能方便、迅速跟上市場變化以及滿足客戶需求等優點，能通過提高其可靠性，降低系統的維護成本，還可以重新設計以避免過時問題。

目前，工業技術在不斷的發展，諸如鋼鐵冶金、玻璃、石化等行業中有很多產品對溫度的要求越來越嚴格。為了使溫測精度達到工業要求，國內學者提出了多種測溫系統，如文獻[2]提出了一種基于AVR單片機的溫度測量系統，該系統利用DS18B20芯片采集溫度；文獻[3]設計了基于STM32的溫度測量系統，以AD590作為溫度傳感器，所測溫度通過4位數碼管實時顯示；文獻[4]設計了基于DSP的測溫系統，采用TMS320F2812作為系統處理器，與溫度傳感器DS18B20構成單總線的溫度測量系統，能實現多點測量，同時測量8路溫度。綜上所述，大部分溫度測量系統都是基于單片機。隨著近年來FPGA的高速發展，其應用也更加廣泛。因此，本文設計了一種基于FPGA和LM75A的測溫系統，該系統測溫穩定，精確度高，且能實時顯示。

1 系統總體方案設計

FPGA不像單片機那樣逐條執行程序，而是以并行運算為主，以硬件描述語言來完成電路設計[5]。因此，基于FPGA的溫度測量系統具有運行速度更快，支持大量數據的高速處理等優點。

應用Verilog HDL（hardware description language）語言編寫的程序寫入FPGA后，能形成實際電路。FPGA的內部程序是并行操作，所以硬件電路不會存在程序逐條執行的問題，且FPGA硬件的數據處理速度非常快，可達到ns級別[6]，因而本系統比單片機系統能更迅速、實時地監測信號的變化和及時更新數據。本文將Altera公司生產的FPGA芯片EP4CE15F17C8N作為處理器。此芯片有165個可自由分配的I/O口，連接外設很方便。該芯片采用60 nm低功耗工藝，與單片機系統相比，系統總功率消耗更低。在綜合考慮穩定性、可實現性以及精確性之后，提出了基于FPGA和LM75A的溫度系統設計方案。該系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1System design diagram

2 系統硬件電路設計

基于FPGA和LM75A的測溫系統總體分為3個部分：CPU電路、溫度采集電路、溫度顯示電路。

2.1 CPU電路設計

CPU電路主要包括主控芯片、50 MHz晶振、電源、配置芯片EPCS16、下載接口、電源指示燈，如圖2所示。

CPU電路采用EP4CE15F17C8N作為主控芯片。該FPGA芯片非常靈活，可以實現任何數字電路以及定制所有的電路，大大簡化了系統電路。其并行操作特點使系統運行速度更快。其內部有著豐富的寄存器資源，可以存儲大量數據。

由于主控芯片EP4CE15F17C8N內部集成了IIC總線接口，LM75A器件自帶IIC總線接口，因此，兩者之間可以通過上拉電阻直接相連，不需要使用I/O端口模擬IIC總線通信。主控芯片先對LM75A發送開始測量溫度命令，接著LM75A將采集到的數據通過IIC總線送入主控芯片中，主控芯片則完成數據存儲、處理、控制等操作。同時，將溫度數據在數碼管上實時顯示。

圖2 CPU電路圖Fig.2CPU circuit

2.2溫度采集電路設計

溫度采集電路主要由LM75A組成（如圖3所示）。OS與VCC接口接3.3 V電源，SDA與SCL分別接上拉電阻，與主控芯片IIC接口相連，A0, A1, A2接地。

圖3 溫度采集電路圖Fig.3Temperature acquisition circuit diagram

LM75A是具有IIC接口的數字溫度傳感器，管腳有8個，分別為A2, A1, A0, OS, SCL（串行時鐘線）, SDA（串行雙向數據線）VCC, GND。其內部集成了很多器件，有IIC總線接口、邏輯控制接口、帶隙溫度傳感器、11位模擬轉數字轉換器以及各種寄存器等。存儲器件的某些配置的寄存器（Conf）、存儲數字溫度的寄存器（Temp）也都包含在內[7]。LM75A測溫最大范圍為-55～+125 ℃，測溫精度0.125 ℃。SCL和SDA構成IIC串行總線，可以實現多個器件之間的主從式通信；OS為過熱關斷輸出接口，外部可連接檢測器或中斷線，當溫度超過設定溫度值時該輸出有效；VCC, GND分別接系統電源和地；A0～A2是用戶自定義地址位，通過對A0, A1和A2的邏輯定義，可以使8個LM75A接在同一總線而不會有地址沖突。由于系統只采用了一個測溫器件測量溫度，所以電路中A0, A1, A2接地，邏輯地址為0。

溫度寄存器（Temp）是一個由高8位字節和一個低8位字節組成的只讀寄存器，其中僅有高11位被存放到Temp數據，其余低5位為0[8]。Temp數據的分辨率為0.125 ℃，當讀到Temp寄存器時，所有16位數據都提供給總線。若Temp數據的最高有效位為邏輯0，則表示溫度是正值，溫度值(℃)=+(Temp數據)*0.125 ℃；若Temp數據的最低有效位為邏輯1，則表示溫度是負值，溫度值(℃)=-(-Temp數據+1)* 0.125℃。在進行溫度采集前，FPGA必須先對LM75A器件初始化，包括對LM75A的地址選擇，滯后寄存器、配置寄存器等的數據寫入等。初始化完成之后，從LM75A器件的Temp中讀取當前溫度。

2.3 溫度顯示電路設計

溫度顯示電路由數碼管、電阻以及三極管組成。數碼管為八段共陽極數碼管。驅動晶體管的數碼管是8550驅動，這是一種常用的PNP型三極管，并具有低電壓、大電流和小信號特性。三極管基級通過限流電阻與主控芯片I/O管腳相連，集電極與數碼管共陽極相連，當主控芯片給基級一個高電平后，發射級導通，集電極和發射級也導通，位選引腳（共陽極）接到3.3 V電源上。數碼管段選引腳通過限流電阻與主控芯片I/O管腳相連，并且低電平有效。

3 系統軟件設計

FPGA的設計輸入方法有原理圖和硬件描述語言（包括VHDL、AHDL、VerilogHDL等）2種。傳統設計方法一般是采用直觀、容易理解的原理圖輸入。但是此方法移植性不好，當所選芯片升級之后，所有設計的原理圖都需改動。現在工程師常用的設計方法是用硬件描述語言完成所需設計，其特點主要表現為自頂向下設計。相比于原理圖設計方法，自頂向下設計方法主要有以下優點：

1）從功能描述到物理實現完全符合設計者的設計思路。

2）設計可以重復利用，能應用在不同的產品設計中。

3）容易修改設計。設計者可以在門消耗以及時序2方面對FPGA的結構進行比較，從而選擇最佳的設計方案。

4）設計周期短，效率高。采用自頂向下設計方法的效率可以達到傳統原理圖設計方法的2～4倍。

鑒于自頂向下設計方法的諸多特點，本系統軟件部分采用自頂向下模塊化設計思想進行設計，主要包括IIC通信模塊、溫度顯示模塊等。

3.1 IIC通信模塊

FPGA和LM75A兩者之間的通信嚴格按照IIC總線管理定義的規則。在LM75A檢測溫度時，須先對LM75A初始化，即對其配置寄存器寫入控制字進行工作模式的設定。寫配置寄存器時序如圖4所示。

圖4 寫配置寄存器時序Fig.4Timing sequence of the configuration register

通信開始前，IIC總線一定要有空間或者不忙，這就要求總線上的器件必須釋放SDA和SCL線[9]。主機啟動起始信號S后，開始對配置寄存器寫入要選擇的器件地址，硬件電路圖中的A0, A1, A2與地相接，因此器件的邏輯地址是“000”，再將“00000001”寫入寄存器地址指針，等待器件響應一個系統時鐘周期后，再進行工作模式的寫入。完成上述步驟后，LM75A開始工作，若在正常工作模式下，每隔100 ms進行一次轉換（模數轉換），轉換的結果存放在Temp寄存器中。FPGA讀取Temp寄存器中的數據，對其處理后，就能得到溫度數據。FPGA讀取Temp寄存器中的數據也需嚴格按照IIC總線管理定義的規則[7]。讀取溫度數據的時序圖如圖5所示。

由于系統時鐘為50 MHz，為了方便分頻，選擇用50 kHz的頻率作為LM75A的時鐘頻率，即SCL時鐘頻率為50 kHz。由時序圖5可知，28個時鐘周期即可完成一次讀操作；另外，使用SCL的4倍頻率生產計數器，該計數器控制SDA相對于SCL的相位關系，此時SDA的時鐘頻率為200 kHz。

圖5 讀溫度寄存器時序Fig.5Timing sequence of the temperature register

模塊部分程序如下。

3.2 溫度顯示模塊

系統采用4位八段共陽數碼管顯示溫度。為使4位數碼管動態顯示溫度，可采用動態掃描的方法依次點亮數碼管，當掃描速度達到某個范圍時，可利用人眼視覺暫留的特點，使人感覺4位數碼管是在同一時間顯示。動態掃描的頻率最好大于50 Hz，每個數碼管顯示的時間要適中，不能過長或過短，時間過長則會出現閃爍的情況，時間過短發光二極管電流的導通時間也短，會導致數碼管亮度變暗。一般掃描時間控制在1～2 ms左右。FPGA產生的掃描時間程序如下。

其中，scan_cnt為16位寄存器，存儲計數值，記一次數的時間為1 ms。如圖6所示為數碼管顯示模塊。syc_clk是系統時鐘信號，sys_ret_n是系統復位信號，c1～c4為數碼管位選信號，seg_a ～seg_h分別接數碼管的發光二極管，其中seg_h控制小數點。lm75_temp是FPGA從器件LM75A采集到的11位溫度數據經過計算后的數據，其算法是：

lm75_temp ＜= (buff[10:0]*125)/10;//存儲在緩存器buff中的11位數據經計算后，賦值給lm75_temp寄存器。由于lm75_temp里面寄存的為二進制數據，所以需先轉成為BCD碼，才能輸出顯示。

圖6 數碼管顯示模塊Fig.6Digital tube display module

3.3系統整合

在用Verilog HDL編程中，系統軟件部分采用模塊化設計。上文的IIC通信模塊和溫度顯示模塊為系統獨立模塊，故需編寫頂層模塊（命名為top）將2個模塊整合起來。top模塊能定義各個管腳接口，從而使系統與外界進行通信。top模塊通過頂層調用方法將tongxin（FPGA和LM75A通信模塊）和saomiao（數碼管掃描顯示模塊）組合成為一個完整的系統。將完整的程序下載到FPGA芯片，系統即可測量環境溫度。某次試驗的溫度測量顯示圖如圖7所示。

圖7 溫度測量圖Fig.7Temperature measurement

試驗結果表明，系統測溫穩定，溫測精度高，能將環境溫度通過數碼管實時顯示。

4 結語

本文設計實現了一種基于FPGA和LM75A的測溫系統。其設計簡單、功耗低、操作方便、響應快、測量精度高。該系統可用于室內溫度測量、室外動植物生長環境溫度測量等測溫場所，該測溫系統還可擴展利用8個LM75A數字溫度傳感器測溫，從而實現多點大范圍測溫。

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（責任編輯：鄧彬）

Design of Temperature Measurement System Based on FPGA and LM75A

Liu Huan，Ou Weiming，Chen Caibiao，Zhou Zhiwei
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Designs a temperature measurement system based on FPGA and LM75A. The design of hardware uses EP4CE15F17C8N as the main controlling chip, and applies the digital temperature sensor LM75A to test the environment temperature and the LM75A own IIC bus interface to transmit data, displaying the temperature via the Digital tube in real time. The software design, using the idea of top-down modular design thought, first, designs a IIC communication module and a temperature display module, and then, programs the top-level module and makes the modules integration. The practice results show that the system is precision in measuring temperature and operates stably.

temperature acquisition；FPGA；LM75A；EP4CE15F17C8N；IIC bus

TH811

A

1673-9833(2014)04-0025-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.007

2014-05-26

劉歡（1988-），男，湖南長沙人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為現代電力電子技術，E-mail：liuhtianya@163.com

歐偉明（1962-），男，湖南沅江人，湖南工業大學教授，主要從事信號處理和嵌入式系統方面的研究與教學，E-mail：ouweimin@sina.com