基于FPGA的溫度測控器設計

陳海需，張艷山

（黃淮學院 機電工程學院，河南 駐馬店463000）

基于FPGA的溫度測控器設計

陳海需，張艷山

（黃淮學院 機電工程學院，河南 駐馬店463000）

基于提高實際工業生產、生活中溫度檢測控制實時性與快速性，以可編程器件（CPLD/FPGA）芯片EP1C3T144C8和硬件描述語言VHDL平臺，設計一個溫度測控系統，通過對感測值進行與輸入基準值的比較控制調節機制，系統采用自上而下、模塊化的編程思路設計了鍵盤掃描電路、AD轉換、數據處理等模塊，并通過QuartusⅡ仿真實驗，驗證了溫度測控系統的動態響應的正確性與快速性。

FPGA；溫度測控器；VHDL；模塊設計；狀態機

利用數字系統處理模擬信號的情況變得更加普遍，隨著新一代FPGA[1]芯片工藝和設計方法的進步及新的應用領域和市場需求的變化，EDA技術也有突飛猛進的發展。溫度在工業、農業生產中都是非常重要的控制參數[2-4]，其實時性、準確性、動態響應能力是大家所關注的。相比較于單片機大量的指令周期[5]，PLC的功耗、體積與操作限制[6]，利用FPGA體積小、設計靈活、響應速度快、抗干擾能力強的硬件電路特性，采用了 FPGA 芯片EP1C3T144C8來控制A/D轉換器ADC0809對溫度信號進行檢測和控制。

1 系統總體設計方案

系統設計包括硬件部分設計和軟件部分設計，硬件部分：溫度傳感器AD590檢測溫度，模數轉換器ADC0809轉換數據，鍵盤（4×3）輸入預定溫度值，發光二極管顯示控制機制，數碼管顯示預定溫度值和檢測溫度值。軟件部分則是利用VHDL語言編程來實現整個功能，如圖1所示。

圖1 系統總體功能框圖

2 硬件電路設計

2.1 集成溫度傳感器AD590

AD590溫度傳感器[7]是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源，測溫范圍為-55～+150℃，電源電壓范圍為4～30 V。其輸出電流是以絕對溫度零度（-273℃）為基準,每增加1℃,它會增加1 μA輸出電流，因此在室溫 25℃時，其輸出電流 Iout=（273+25）=298 μA。AD590實際應用電路如圖2所示，電壓跟隨器使其輸出電壓V2等于輸入電壓V，保證電流I不分流。使用齊納二極管作為穩壓元件，再利用可變電阻分壓，將其輸出電壓V1調整至2.73 V，再利用差動放大器使輸出Vo和溫度成線性關系。

圖2 AD590應用電路

2.2 模數轉換ADC0809

ADC0809[8]是采樣頻率為8位的、逐次逼近型模-數轉換器件，其內部有一個8通道多路開關，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換，設計中ADC0809需要把溫度傳感器AD590感測的溫度值模擬信號轉換成8位二進制數字量，其輸入輸出對應關系如表1所示。

表1 模擬電壓信號與數字量的對應關系

系統采用4*3非編碼矩陣式鍵盤輸入預定溫度值，并與感測溫度值進行比較，然后判斷執行何種控制機制（加熱、保持或制冷）。數碼顯示電路采用共陰極數碼管靜態顯示方式，直接與FPGA管腳相連接，來顯示感測溫度值和基準溫度值。系統硬件電路連接如圖3所示。

圖3 系統硬件電路連接圖

3 VHDL編程設計

3.1 鍵盤掃描電路模塊

鍵盤掃描電路[9]如圖4所示，由分頻器電路，鍵盤掃描計數器電路，鍵盤按鍵檢測電路，鍵盤編碼電路，按鍵編碼電路等組成。

電路共有2個輸入項（時鐘脈沖：clock，鍵盤的列輸入：col），3個輸出項（鍵盤的行輸出：row，掃描頻率：scan_f，按鍵值：butt_code）。首先將3.686 MHz輸入信號分頻成1 kHz，此頻率作為鍵盤掃描的頻率，計數器的計數值輸出到按鍵檢測電路，檢測使用者是否按下鍵盤，并輸出到鍵盤編碼電路對鍵盤數值編碼，當使用者按下鍵盤時，按鍵檢測電路的key_pressed將為0，并輸出到計數器使計數停止，然后輸出按鍵編碼。其頂層實體部分VHDL文件為：

圖4 鍵盤掃描電路原理

3.2 AD轉換模塊

ADC0809轉換[10]有3個輸入項（clk：時鐘脈沖，d：轉換數據輸入，eoc：轉換允許使能），最主要的輸出項是q：數據輸出。adda為‘1’，說明選通IN0通道，eoc為‘0’時，數據轉換開始，為‘1’時，數據轉換結束，輸出項start為‘1’時，表明轉換正在進行。對照表1，功能仿真圖如圖5所示。

圖5 ADC0809仿真圖

3.3 數據處理模塊

經ADC0809轉換輸出的是8位二進制量，為了方便后續的輸出，應該將輸出電壓表示成12位的BCD碼形式，設計思想是先將8位二進制數分高4位和低4位分別轉換，再分別將高低四位轉換后的12位代碼通過進位運算，最后得到12位的BCD碼供七段譯碼器進行譯碼。仿真結果如下圖6所示。

當由 ADC0809的 d[7..0]收到的數據時00011001時，對照表1，高四位0001為0.32 V，第四位1001為0.18V，所以最后的輸出結果是0.32 V+ 0.18 V=0.5 V。對應的 BCD碼形式為 0000 0011 0010+0000 0001 1000=0000 0101 0000。

圖6 數據處理模塊仿真

4 系統仿真實驗

通過對各個子功能模塊得連接得到系統總原理圖，在設計過程中采用了混合輸入方法，即分模塊采用VHDL語言輸入法[11]，并生成器件（.bsf文件），頂層實體時采用原理圖輸入法，調用工程中的器件，連接即可。頂層原理圖如圖7所示。其仿真圖如圖8所示。

系統共有6個輸入項（clk，clock：時鐘脈沖，col：按鍵列輸入，d：ADC0809數據輸入端，eoc：允許轉換使能端，start： 寄存器寄存允許端），9個輸出項（data_out0，data_out1，data_out2:預定值輸出，data_out3 data_out4 data_out5:檢測值輸出，dg：制冷機制（綠燈），gr：加熱機制（紅燈），gy：保持機制（黃燈））由圖8可以看出，該溫度測控器系統功能原理上得以實現。

5 結束語

設計實現了一種基于可編程器件FPGA和VHDL編程的智能溫度控制系統，可應用與室溫控制[12-15]等精度要求不高，溫差不會太懸殊的場合。在溫度檢測電路中，ADC0809有8路模擬輸入口，而且AD590允許較長的傳輸距離，所以系統可擴展出利用多個傳感器實現多點溫度控制測量。同樣，在上述設計基礎上，還可以實現對壓力，或壓力，溫度同時測控的測控系統。

[1]楊海鋼，孫嘉斌，王慰.FPGA器件設計技術發展綜述[J].電子與信息學報，2010，32（3）:715-727.

[2]邊琳.時滯溫度控制系統控制方法的研究 [D].長春：吉林大學，2012.

[3]金凱鵬，胡即明.基于模糊PID算法遠程溫度控制系統的實現[J].微計算機信息，2014（34）:34-38.

[4]楊萬能，秦付軍.基于PLC的網絡溫度監控系統的研究[J].西華大學學報：自然科學版，2014，6:72-77.

[5]呂俊亞.一種基于單片機的溫度控制系統設計與實現[J].計算機仿真，2012，29（7）:230-233.

[6]馬麗萍.基于PLC的干燥箱溫度控制系統[J].輕工機械，2011，29（4）:51-53.

[7]劉振全.集成溫度傳感器AD590及其應用 [J].傳感器世界，2013（3）:35-37.

[8]王志亮，李光輝.基于Verilog HDL的ADC0809采樣控制器設計[J].信息技術，2015（12）:151-153.

[9]楊曉慧，楊旭.FPGA系統設計與實例 [M].北京:人民郵電出版社，2010.

[10]廖超平.EDA技術與VHDL實用教程[M].北京：高等教育出版社，2013.

[11]趙世霞，楊豐，劉揭生.VHDL與微機接口設計[M].北京：清華大學出版社，2010，7.

[12]陳 菁，張小溪.基于單片機的小型恒溫箱設計[J].現代電子技術，2014，37（22）:101-104.

[13]柏承宇.一種基于PLC的智能溫度控制系統設計[J].機械設計與制造工程，2015，44（11）:48-50.

[14]程林中，岳靖，王梅花.基于模糊-PID控制的井下溫度控制系統研究 [J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2015，93（4）:20-22.

[15]陳杰，楊俊峰，徐洪波.一種反應釜溫度模糊控制器的設計與實現[J].計算機與現代化，2015，236（4）:87-89.

Design on temperature measurement and control device based on FPGA

CHEN Hai-xu，ZHANG Yan-shan
（College of Mechanical and Electrical Engineering Huanghuai University，Zhumadian 463000，China）

In order to improve the real-time and rapidity of temperature control in industrial production and daily life.Designed a temperature measurement and control device on the Platform of programmable devices EP1C3T144C8 and VHDL，compared the practical temperature to reference temperature to control the regulation mechanism，the whole system used top to down，and modular programming mentality，and designed keyboard scan circuit，AD transformation module，data processing module，etc. then the simulation result verified the correctness of control system by QuartusⅡ.

FPGA；temperature measurement and control device；VHDL；module design；state machine

圖7 系統總原理圖

圖8 系統總原理圖仿真

TP273；TN7

A

1674-6236（2017）09-0027-04

2016-09-12稿件編號：201609123

國家自然科學基金項目（61404057）；河南省科技攻關項目（162102110129）

陳海需（1987—），男，河南南陽人，碩士研究生，講師。研究方向：電子電路、自動控制。