基于FPGA的多路溫度采集系統(tǒng)設計

鄭麗娟，王　梅，王　寧

(河北科技大學 信息科學與工程學院，河北 石家莊 050018)

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基于FPGA的多路溫度采集系統(tǒng)設計

鄭麗娟，王梅，王寧

(河北科技大學 信息科學與工程學院，河北 石家莊 050018)

摘要:在現(xiàn)代生活中，溫度是非常重要的測控參數(shù)，為了有效采集并監(jiān)測室內(nèi)溫度，文中結(jié)合FPGA的特點，采用智能溫度傳感器DS18B20作為溫度采集的器件，通過對四路溫度進行采集、存儲、顯示和串口傳輸，做了系統(tǒng)的硬件、軟件和界面設計，完成了整套溫度采集系統(tǒng)。最后在上位機上顯示各路溫度，并對超出設定溫度做報警提示。實驗證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有一定的應用價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器；溫度采集；串口；VB6.0

0　引　言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和生活中，溫度是實時接觸的物理量，溫度的監(jiān)測就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的溫度采集大多采用單片機作主控芯片，但隨著采集系統(tǒng)對速度性能要求越來越高，相比傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)，F(xiàn)PGA 的優(yōu)勢就凸顯出來了。FPGA的內(nèi)部程序是并行運行的，在同一時鐘周期內(nèi)可以進行多個操作[1]，體積小，管腳多。系統(tǒng)采用DALLAS半導體公司生產(chǎn)的一線總線智能溫度傳感器，用獨特的單線通訊方式，實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。為提高溫度采集的速度，本設計不在一根數(shù)據(jù)線連接多個DS18B20采集多點溫度，而是采用多端口并行驅(qū)動的方法，使每一個DS18B20 的數(shù)據(jù)線分別連接到FPGA的不同I/O 端口。與其他系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)測溫更加簡單、精度高、抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠，在現(xiàn)實應用中有很好的測溫效果，可以應用在諸多領(lǐng)域。

1　數(shù)字溫度傳感器

1.1　DS18B20的特點[2]

DS18B20的特點如下：

(1)測溫范圍是-55 ℃～+125 ℃。

(2)符合TTL電平，不需任何的外圍元器件，可直接和微處理器的I/O口相連。

(3)每個傳感器都有唯一產(chǎn)品序列號，可實現(xiàn)單線多掛接。

(4)溫度轉(zhuǎn)換分辨率為9～12 bit。在12位溫度轉(zhuǎn)換分辨率的情況下，轉(zhuǎn)換時間為750 ms。

1.2　DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表示方法

DS18B20的內(nèi)部功能模塊主要有64位ROM、高速暫存寄存器、溫度傳感器和非易失性報警觸發(fā)器和配置寄存器構(gòu)成。

傳感器收到溫度轉(zhuǎn)換命令后,便開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值是以帶符號擴展的16位二進制的形式存儲在高速暫存存儲器的byte0和byte1兩個字節(jié)中。FPGA可通過單總線接口讀到該數(shù)據(jù)。若測溫結(jié)果為正，則高5位S均為0，只要將數(shù)據(jù)輸出結(jié)果乘以0.0625就可得到實際溫度。若測溫結(jié)果為負，則高5位S均為1，數(shù)據(jù)輸出值需取反加1，再乘0.0625便可得到實際溫度。

1.3　DS18B20的操作時序

由于DS18B20采用1—Wire總線協(xié)議，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。其工作步驟分三步：首先要初始化；然后執(zhí)行其ROM操作命令；最后執(zhí)行DS18B20的功能操作命令。

DS18B20的ROM操作命令[3]有：搜索ROM命令(F0H)、讀ROM命令(33H)、匹配ROM命令(55H)、跳過ROM命令(CCH)、報警搜索命令(ECH)。功能操作命令有：溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換命令(44H)、讀暫存器命令(BEH)、寫寄存器命令(4EH)、復制寄存器命令(48H)、調(diào)回寄存器(B8H)、讀取供電方式命令(B4H)。

該協(xié)議定義信號的時序：初始化時序，讀、寫時序。這些時序都是把FPGA作主設備，DS18B20作從設備。

2　溫度采集系統(tǒng)組成

溫度采集系統(tǒng)由以下幾個部分組成：溫度采集、存儲、顯示、傳輸和上位機顯示等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

利用DS18B20數(shù)據(jù)接口的特點和FPGA的高速并行處理來對室內(nèi)溫度進行采集。FPGA發(fā)送各種指令，在時鐘的驅(qū)動下，不斷向溫度傳感器發(fā)初始化、溫度轉(zhuǎn)換等指令，嚴格地控制各傳感器工作。用 QuartusⅡ軟件自帶的參數(shù)化模塊庫定制四個FIFO，存儲測量的溫度數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)進行處理，并將其中一路溫度在數(shù)碼管上顯示，用來檢測此路溫度和上位機顯示的是否一致，最后通過RS232串口將采集到的數(shù)據(jù)傳送給上位機。系統(tǒng)采用多端口并行驅(qū)動的方法來采集四路溫度[4]，實現(xiàn)對這四個DS18B20 進行同步操作。 每一路都可以獨立完成各自功能，這樣省去了查詢總線器件序列號的操作，使軟件編程簡單化，節(jié)省了存儲空間。

3　硬件設計

選用Altera公司的Cyclone系列芯片，芯片型號為EPlC3T144C8，采用TQFP封裝形式。

此系統(tǒng)的硬件設計是在Altium Desiger10的平臺上完成的。它是由FPGA最小系統(tǒng)電路及傳感器連接電路、顯示電路、串口電路這些外圍電路組成。

時鐘采用50 MHz片外晶振，電源是5 V供電，經(jīng)穩(wěn)壓后得到3.3 V和1.5 V電壓。溫度傳感器供電采用DS18B20外部電源供電方式。設計采用4位八段式的共陽LED數(shù)碼管，由于所需驅(qū)動電流較大，用9012 PNP三極管進行驅(qū)動，利用三極管的開關(guān)特性，當在三極管的基極輸入低電平時，開關(guān)閉合，位選端輸入1，數(shù)碼管亮。在串口電路設計中，RS232接口的信號電平值在5～15 V之間。該信號電平采用負邏輯，即：邏輯“l(fā)”,-5 V～-15 V；邏輯“0”，+5 V～+15 V。因為RS232的電平與電路板之間表示的邏輯狀態(tài)不同，須使用電平轉(zhuǎn)換電路才能與TTL電路連接。本設計選用美信公司的MAX3232芯片，具有價格低、功耗低等優(yōu)點，外接0.1 μF的電容來實現(xiàn)TTL電平和RS232電平轉(zhuǎn)換。

在原理圖和器件封裝完成之后就可以生成相應的PCB，按照規(guī)則對這些元器件進行合理的布局、布線，最后敷銅并檢查。

4　軟件設計

軟件設計平臺是Altera公司的Quartus II，其設計輸入有硬件描述語言和原理圖輸入兩種方法。采用兩種方法相結(jié)合設計，在利用Quartus II自帶的宏功能模塊基礎上再設計其他模塊。

4.1　溫度采集模塊

由于系統(tǒng)采用50 M晶振，而溫度傳感器卻是以μs來計數(shù)的，所以先對系統(tǒng)50 M的基準時鐘分頻來產(chǎn)生DS18B20所需的1 M時鐘信號，仿真如圖2所示。

圖2 分頻仿真

由于每個IO口上只接有一個溫度傳感器，不需要讀取其序列號，只需嚴格按照DS18B20的時序用Verilog HDL語言進行編程[5]，在端口定義時，DQ的端口類型為inout。流程圖如圖3[6]所示。

圖3 DS18B20的工作流程圖

4.2　溫度存儲模塊[7]

本文調(diào)用宏模塊來設計四個同步FIFO，設置數(shù)據(jù)寬度為32 bits，深度為32words，作為四個通道的緩存器分別對四路溫度進行緩存，如圖4所示。

圖4 FIFO模塊

4.3　溫度顯示模塊

并行采集的四路溫度每路輸出16位二進制數(shù)據(jù)，并把結(jié)果分別存儲到各自的FIFO中,從FIFO出來的數(shù)據(jù)送到此模塊，并取低10位數(shù)據(jù)分離為SM1、SM2、SM3、SM4這四個字符，分別為溫度值的十位、個位、十分位、百分位。設計采用動態(tài)掃描的方式，把要顯示的數(shù)字譯成段碼的形式在數(shù)碼管上顯示。此模塊用來測試其中一路溫度與串口調(diào)試出的結(jié)果是否一致，在實際中可以根據(jù)實際情況來確定是否使用數(shù)碼管[8]。

4.4　串行發(fā)送模塊

目前串行數(shù)據(jù)的傳輸大都采用異步通訊的方式，數(shù)據(jù)傳輸通常以字符為單位組成幀進行傳送，設計采用1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和2位停止位來傳輸。

串行發(fā)送包括波特率發(fā)生和串口數(shù)據(jù)發(fā)送兩個模塊。波特率發(fā)生模塊負責用50 MHz的晶振來產(chǎn)生9 600 bit/s的時鐘信號，而串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊負責發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送時先發(fā)起始位，其邏輯為0，再由低到高依次發(fā)送8個數(shù)據(jù)位，最后發(fā)停止位，其邏輯為1。串行發(fā)送電路的仿真圖如圖5所示。

圖5 串口仿真

4.5　上位機軟件設計

設計采用Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境[9]，VB提供了許多可視化控件，給用戶提供極大方便。由于VB可以自動生成程序結(jié)構(gòu)框架，用戶只要自己在框架中添加代碼便可設計出想要的界面，操作簡單。

VB 6.0提供了通信控件MSComm[10],可實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收，每一路的溫度都設置了不同的報警溫度，當采集的溫度超過報警溫度，顯示異常；當?shù)陀趫缶瘻囟龋@示正常。設計此界面的步驟如下：(1)新建一個工程；(2)創(chuàng)建窗體；(3)放置所需控件；(4)設置控件的屬性；(5)添加代碼程序；(6)保存文件，調(diào)試并運行。

5　系統(tǒng)實現(xiàn)

經(jīng)過QuartusⅡ編譯、仿真、調(diào)試之后，進行投板制作，焊接各個元器件及芯片，用萬用表和示波器進行測試，最后將程序下載到板子上。系統(tǒng)上電后,在FPGA的控制下DS18B20不斷地進行溫度采集、存儲、傳輸，最后在上位機編程界面上顯示四個通道的結(jié)果和整個系統(tǒng)的實物，如圖6所示。數(shù)碼管上的溫度顯示的是第一通道的溫度，與上位機上的第一通道溫度一致。

圖6 系統(tǒng)實現(xiàn)

6　結(jié)束語

本文利用FPGA和DS18B20設計并實現(xiàn)了一種用于檢測室溫的多路數(shù)字溫度采集的設備，并行采集的方法節(jié)約了時間。基于QuartusII開發(fā)平臺，用Verilog語言和原理圖相結(jié)合模塊化的完成軟件程序設計，最后下載驗證。實現(xiàn)的系統(tǒng)簡單可靠，抗干擾能力強。系統(tǒng)可以應用在一些糧倉、蔬菜大棚、生產(chǎn)車間、煤礦、路面等一些需要實時監(jiān)測溫度的場合，在一些生產(chǎn)條件惡劣的環(huán)境中也可以發(fā)揮此系統(tǒng)的優(yōu)勢。

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馮曉培(1989-)，女，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

李秋如(1991-)，女，廣東佛山人，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

郭思遠(1989-)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

設計應用

Design of Multi-Channel Temperature Acquisition System Based on FPGA

ZHENG Li-juan, WANG Mei, WANG Ning

(College of information science and engineering, Hebei University Of Science and Technology,

Shijiazhuang,Hebei 050018,China)

Abstract:In modern life, temperature is a very important control parameter. In order to effectively collect and monitor the indoor temperature, a whole set of multi-channel temperature acquisition system based on FPGA and smart temperature sensor DS18B20 is presented in this article. The system collects, stores and displays information of four temperatures, which is then transmitted to the PC via serial port. The whole design includes hardware, software and interface design. The system finally displays the temperature in the computer, and will alarm if temperature exceed the set value. Experimental results show that the system is reliable and has a certain value.

Key words:digital temperature sensor; temperature acquisition; serial; VB6.0

中圖分類號：TP212

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0047-03

作者簡介：鄭麗娟(1988-)，女，碩士研究生，研究方向為數(shù)字交換與傳輸。 陳小琴(1989-)，女，山西朔州人，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

收稿日期：2014-12-5 2014-12-20