基于FPGA的遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)

陳玲君

摘要：系統(tǒng)主要研究了一種基于FPGA的遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以FPGA為基礎(chǔ)，結(jié)合各種傳感器，如溫度傳感器、圖像傳感器等，通過(guò)FPGA把數(shù)據(jù)采集過(guò)來(lái)，然后通過(guò)總線將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)上。該系統(tǒng)具有性價(jià)比高、穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，并可以拓展其他傳感器滿足不同的需要。

關(guān)鍵詞：FPGA；傳感器；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0203-02

遠(yuǎn)程控制是自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的主要功能之一，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，比如智能家居，又能用在環(huán)境惡劣的場(chǎng)所，比如礦井、強(qiáng)核磁輻射等。目前市場(chǎng)上嵌入式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)大多采用ARM作為控制芯片。也有采用單片機(jī)的，主要是價(jià)格低廉等因素。

基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合了單片機(jī)和數(shù)據(jù)處理兩者的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)的特點(diǎn)決定了其擅長(zhǎng)于控制，而數(shù)據(jù)處理（DSP）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。但是FPGA正處在發(fā)展完善階段，還沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，目前經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，已經(jīng)在數(shù)字通信、信號(hào)處理等領(lǐng)域有了出色表現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。主要是由主控FPGA、外圍傳感器、顯示模塊和存儲(chǔ)模塊組成。通過(guò)數(shù)字圖像傳感器和溫度傳感器獲得現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備的圖像信號(hào)和溫度，然后分別通過(guò)USB接口和SPI接口實(shí)時(shí)或定時(shí)地傳送到FPGA中，經(jīng)過(guò)FPGA處理后通過(guò)串行RS-485總線送到監(jiān)控終端的PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，最后通過(guò)LCD顯示出來(lái)，同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 FPGA核心控制模塊

核心控制模塊采用的是Altera公司推出的Cyclone系列芯片EP1C6F256C6，芯片有26060個(gè)邏輯單元、64個(gè)存儲(chǔ)容量為4 KB的RAM塊、2個(gè)鎖相環(huán)，最大用戶輸入輸出引腳數(shù)為301個(gè)。芯片具有很高的性價(jià)比，具有低功耗、高密度和低成本的優(yōu)勢(shì)。它是本系統(tǒng)的核心部分，可以完成系統(tǒng)大部分功能并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。

1.2 信息采集模塊

本系統(tǒng)采集主要是溫度和圖像兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。其中溫度傳感器模塊是由數(shù)字集成傳感器DS18B20和熱電偶兩部分組成，以滿足負(fù)責(zé)的溫度采集和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。其中DS18B20是一款常用的數(shù)字式溫度傳感器，容易與FPGA控制器接口相連，能夠及時(shí)迅速地測(cè)得環(huán)境溫度，并且具有很強(qiáng)的電磁抗擾性，能夠適應(yīng)較為復(fù)雜和惡劣的工作環(huán)境，且具有高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。

圖像采集模塊由SL811HS USB主機(jī)控制器和WEBEYE2000 USB接口攝像頭組成。USB控制器SL811HS是Cypress公司的嵌入式USB接口芯片，支持USB1.1的全速和低速設(shè)備。提供USB主機(jī)的硬件接口及總線管理機(jī)制，片內(nèi)集成SIE、USB收發(fā)器和根Hub，能夠完成嵌入式USB主機(jī)所需的功能。其中SL811HS工作電壓為3 V-3.6V。

1.3 電源電路

本設(shè)計(jì)中的主控器件的輸入輸出接口電壓為3.3V，內(nèi)核電壓降到1.5V，因此要把5V轉(zhuǎn)成1.5V，在電路中涉及到其他模塊與控制器相連接的接口電壓必須為3.3V，因此5V得轉(zhuǎn)成3.3V。其中5V轉(zhuǎn)為1.5V的電路如圖2所示。

1.4 通信模塊

通信模塊分為兩部分，其中溫度傳感器通過(guò)SPI接口進(jìn)行傳輸，圖像傳感器部分通過(guò)USB接口進(jìn)行傳輸?shù)模骺財(cái)?shù)據(jù)是通過(guò)RS-485接口，把處理好的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)。

1.5 顯示模塊

系統(tǒng)的顯示部分采用液晶顯示，具體型號(hào)用常見(jiàn)的LM016；部分采用PC端，直接通過(guò)RS-485將數(shù)據(jù)傳至電腦端。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)行初始化工作，初始化程序主要完成初始化DMA通道及清FIFO控制接口的FIFO緩沖器等。隨后系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)狀態(tài)，并檢測(cè)按鍵。當(dāng)檢測(cè)到DETECT時(shí)，啟動(dòng)FIFO控制接口開(kāi)始保存數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到data avaible有效時(shí)，啟動(dòng)一次DMA傳輸。如此循環(huán)，直到檢測(cè)到SAVE DONE為止，就實(shí)現(xiàn)了圖像、溫度數(shù)據(jù)的采集功能。

2.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用SPI接口進(jìn)行傳輸。溫度采集模塊的流程圖如圖3所示。

2.2 圖像采集流程圖

圖像模塊采用USB接口進(jìn)行傳輸。圖像采集模塊的流程圖如圖4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

基于FPGA的遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景，在普通家庭、臨時(shí)性作業(yè)場(chǎng)所等方面應(yīng)用領(lǐng)域中。雖然在某些方面不如ARM系統(tǒng)，但是它具有性價(jià)比高、穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，并可以拓展其他傳感器滿足不同的需要，具有市場(chǎng)潛力和開(kāi)發(fā)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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