基于FPGA的自動采集控制系統

李怡琳，肖順文，易歡，楊盢

（西華師范大學物理與電子信息學院，四川南充637009）

基于FPGA的自動采集控制系統

李怡琳，肖順文，易歡，楊盢

（西華師范大學物理與電子信息學院，四川南充637009）

本系統是基于FPGA為核心的自動溫度采集控制恒溫系統，運用了傳感器技術，實時的對一定環境中的溫度進行采集，并通過FPGA芯片進行恒溫控制。系統運行過程中，不需要人為進行任何控制。系統通過固化在內部的程序，自動對外界溫度進行采集，顯示，并控制。該系統既能滿足小范圍內的恒溫控制，同時又具有造價低，維護簡便，可操作性好的優點。非常適用于小范圍內的恒溫控制。

FPGA；自動控制；自動采集；溫度控制

隨著當前工業控制自動化日益普及，對于工作環境中的溫度控制也越來越重要。本設計即是針對某些需要持續恒溫的特殊環境而設計的自動溫度采集控制系統。該系統采用FPGA作為硬件核心部分，有效地利用FPGA在可編程門陣列方面的優點，最大限度的使硬件電路軟件化，減少了可視硬件的規模，降低了硬件加工、布線以及元器件采購方面的成本與復雜性，從而降低了故障排查方面的繁雜性［1-3］。使硬件電路簡潔，降低了整體占用的空間。相對于其他的溫度控制系統，具有小巧，維護維修方便的優點，大大的提高了可維護性，同時由于采用的元器件都比較常見，整體成本較低。因此很適用于一些小規模同時對溫度精度要求不高的場合［1］。

1　系統工作原理

通過傳感器實現對外界環境溫度的采集，并將采集到的溫度信號傳送給FPGA芯片，FPGA芯片能夠自主地對采集的溫度信號進行處理，并能通過LED顯示當前溫度，同時自動將采集到的溫度信號與預設的溫度進行比較得出正確的比較結果，通過I/O端口輸出控制外圍設備對環境溫度進行控制，從而達到實時溫度控制的目的［5］。本設計中主要有溫度采集模塊、FPGA芯片模塊、LED數字顯示模塊三部分，系統原理框圖如圖1所示。

圖1　系統原理框圖Fig.1The block of diagram system

通過FPGA編程來實現對溫度傳感器的實時溫度數據采集，并且實時地處理采集到的數據，將采集到的數據轉換為BCD碼通過8段LED數碼管顯示出此前的溫度。與此同時，采集到的數據將會與存儲在芯片里的溫度預設值比較，并自動產生比較結果，控制外圍設備對被測空間的溫度實施調節控制，從而達到恒溫的目的，溫度傳感器采集出的溫度數據通過二進制數組片選選擇數據通過LED顯示，選擇的數據再與標準溫度進行比較，溫度過高降溫處理、溫度過低則升溫處理。

2　主要功能模塊的實現

控制模塊如圖2所示，其中兩個PNP三極管的作用是在P1輸出控制信號時起到開關作用，根據圖中的三極管接法，當輸出控制信號為低電平時，三極管通導，此時P2繼電器中有電流通過，使其3和6引腳接通。設計中由于采用的三極管對電流的要求較高，而又由于繼電器內部可以認為相當于是一個電感，因此在繼電器剛剛上電的時刻，三極管發射極和集電極電流將會很大，很容易將三極管燒毀，因此加裝穩壓二極管D2，使繼電器上電工作的時刻，瞬間電流通過二極管回路而不是通過三極管，就可以有效保護三極管不被燒毀。

圖2　外圍控制電路原理圖Fig.2Circuit schematic of the external control

外部輸出信號為低電平時，p2回路導通，引腳6與引腳3有電流，p3導通開始工作，當溫度過低時，燈泡點亮；當溫度過高時，風扇工作。從而實現對溫度的實時控制。

3　軟件設計及仿真結果

本設計中采用FPGA芯片作為核心控制部分。在本設計中軟件模塊主要包括溫度傳感器控制及數據接收模塊，溫度數據處理模塊，溫度顯示模塊。

3.1溫度數據處理模塊

傳感器數據處理模塊tempture的頂層電路圖如圖3所示，它的作用主要是將12位二進制的溫度信號轉換為用BCD碼表示的3位十進制數，輸入的12位溫度信號中其中的高8位二進制代碼轉換為2組4位的BCD碼，例如輸入二進制碼為“00010110”，代表十進制數為“22”，輸出BCD碼為“00100010”對應的十進制數個位、十位均為“2”和“2”；然后將剩余的低4位二進制代碼轉換為4位BCD碼，如輸入二進制碼為“1110”，代表10進制數小數為“0.875”，若只取一位小數位，則取“8”，其BCD碼可表示為“1000”。通過三個輸出端口分別輸出十位、個位和小數位。

對溫度數據處理模塊tempture進行仿真測試。假定預設置輸入溫度二進制的代碼為“000101111011”，則其對應十進制數應為：“23.6”。仿真結果如圖4所示。

圖3　溫度數據處理頂層原理圖Fig.3Temperature data-processing top-level schematic

圖4　數據處理模塊仿真結果Fig.4Data-processing module simulation results

根據頂層原理圖，a［3..0］輸出為溫度數值的十位數，b［3.. 0］輸出為溫度數值的個位數，c［3..0］輸出為溫度數值的小數位。則仿真圖中，shi、fen、ge三位輸出的數字分別為“2”、“3”、“6”，仿真結果與預測轉換結果一致。

3.2溫度顯示模塊

設計采用了4個8段式的LED數碼管可以動態顯示溫度的百位、十位、個位與分位。下圖為溫度顯示模塊的頂層電路，由圖可知，模塊由片選模塊、譯碼轉換模塊與計數器三者組成。片選模塊主要由一個二進制計數器和四選一電路組成。

當系統工作時，先將二進制計數器在clk控制下依次連續產生4個兩位二進制數組，來控制片選模塊選擇性的輸出shi［3..0］、ge［3..0］、fen［3..0］、bai［3..0］四路輸入信號中任意的一路。將選出的這一路輸入信號交給譯碼轉換模塊，利用二進制計數器產生的連續二進制數組，可以控制譯碼器依次輸出對應的4位二進制數組來依次點亮各個LED數碼管。最后，可以在LED上顯示出數字，讀取結果。

圖5　溫度顯示模塊頂層電路Fig.5Temperature display module top-level circuit

對溫度顯示模塊display進行軟件仿真測試，設置輸入shi［3..0］、fen［3..0］、ge［3..0］分別是“0100”、“0011”、“0010”，則其對應10進制數應為“43.2”。仿真結果如圖6所示。

圖6　display模塊仿真圖Fig.6Map display module simulation

由仿真示意圖可看出，片選信號由時鐘信號控制循環變化，而對應輸出的ledout端也依次輸出shi，fen，ge，bai四個端口輸入的數據，且輸出的是8位LED數碼管顯示碼，從圖中可以讀出，當片選信號為“0111”時，對應的輸出信號ledout為“11000000”，即表示在數碼管上的顯示為0，小數點不亮，表示百位為0；當片選信號為“1011”時，對應的輸出信號ledout為“10011001”，在數碼管上的顯示為4，小數點不亮，表示十位為4；當片選信號為“1101”時，對應輸出ledout為“10110000”，在數碼管上的顯示即為3，表示個位為3，；當片選信號為“1110”時，對應輸出ledout為“00100100”，在數碼管上的顯示即為2，小數點點亮，表示小數位為2。動態掃描后可知，數碼管上顯示的內容即為“043.2”。與輸入的數據相同，說明程序編寫正確，系統運用良好。

4　測試數據

由表1數據顯示，LED數碼管上顯示的溫度與實際測量的溫度，從表中可以得出，兩者近似相等，誤差在0%～0.58%之間，是可以接受的誤差范圍。表2是指設定了所需溫度，記錄溫度變化的過程與實現這一目標所需的時間。例如第一次中，我們設定的溫度為20℃，開始LED上顯示的溫度值為17.5℃，最后經過自動控制系統溫度升高到20.2℃，這一過程共用時30分鐘。誤差也是存在的，誤差在1%左右，也是可以接受的范圍。

表1　溫度顯示測試數據Tab.1The data of temperature display test

表2　溫度顯示測試數據Tab.2The data of temperature display test

5　結束語

從測試結果上看，設計的主要目的已經達到，系統運行可靠，精度也已達到設計要求。但設計中仍存在一定缺陷，主要缺陷在于本設計中所使用的預設溫度是固化在程序中，一旦系統開始工作，就不能再更改預設的溫度，因此本系統比較適用于不會經常變更設置溫度的場合。

［1］蔣雙燕.熱療系統的溫度測控技術及應用研究［D］.蘇州：蘇州大學，2010.

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［8］顏麗娜，張鐵民.基于DS18B20測溫系統的設計［J］.機械與電子，2010，11（8）：1-2.

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An automatic acquisition control system based on FPGA

LI Yi-lin，XIAO Shun-wen，YI Huan，YANG Yuan
（College of Physics and Electronic Information，China West Normal University，Nanchong 637009，China）

The system is based on the FPGA that can automatically control and collect system temperature，using the sensor technology，we can collect the temperature of the certain environment，and can control temperature through the FPGA chips. In the process of system operation，people do not need to have any control over the system，because of the internal procedures，the system can automatically acquisition the temperature of outside world，displaying it by LED and control the data.This system suits for the small range of temperature control，and have low-cost，easy maintenance，good operational advantages.At the same time，It can applied to a small area of constant temperature control.

FPGA；automatic control；automatic acquisition；tempreature control

TN108.4

A

1674－6236（2015）24-0096-03

2015-04-02稿件編號：201504017

四川省教育廳科研基金重點項目（15ZA0145）

李怡琳（1991—），女，四川綿陽人，碩士研究生。研究方向：軟件無線電、EDA技術及SOPC技術。