基于FPGA SOPC的溫度控制系統設計

王佳寧 于存江 程子軒

摘 要：本文介紹了一種基于FPGA/SOPC和溫度傳感器DS18B20的硬件電路溫度控制方法。利用DS18B20采集數字信號，采用FPGA芯片進行數據處理，并通過處理后的數據對繼電器進行控制，從而實現對溫度的實時調控。本設計利用Verilog HDL在開發環境下進行硬件電路的設計。最后利用MODELSIM軟件進行模擬仿真試驗，在0℃～55℃范圍內，測量誤差為±1℃，從而實現硬件電路的溫度控制。

關鍵詞：FPGA SOPC DS18B20 溫度控制

中圖分類號：TN47 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0020-02

現今，電子元器件在工業領域當中得到了非常廣泛的應用，但是其應用效果和作用在不同的溫度環境下的表現也有較大差距。那么，如何更好地發揮元件的功能，就需要提高整個元件的穩定性，也要保持元件的最佳工作溫度。在這里，溫度控制鏈路就起著非常重要的作用。然而，普通的溫控系統對溫度采集和數據處理間存在很多不平衡的缺點，如何解決溫度采集和處理數據的實時性和精確性，就需要合理的設計方案。綜合考慮，本設計是一種在FPGA上實現SOPC溫度采集和監測控制系統。

SOPC（System On a Programmable Chip）即可編程片上系統，它將CPU、ROM、RAM、I/O端口和DSP集成到一個FPGA芯片中。SOPC的設計靈活開放，可以軟硬件剪裁、擴展、升級、并具有可編程功能。

1 系統總體方案設計

溫度控制系統的設計包括以下幾個部分：FPGA、DS18B20、MAX232、報警模塊、繼電器模塊和1602LCD等。整個溫度控制系統使用傳感器采集數據，并輸出顯示，再經過DA轉換來控制繼電器，通過MAX232串口轉換后，可以準確地進行實時溫度顯示，并實現系統溫度的控制。總體設計流程圖如圖1所示。

系統設計采用基于NiosII軟件的SOPC設計方案，通過NIOSII實現系統的軟核實現，并完成了MCU的中央處理和控制功能。

基于硬件描述語言，通過MCU的軟核處理，對溫度傳感器進行初始化工作。溫度傳感器采集到實時模擬量經過轉換和處理，傳輸到液晶顯示屏1602中進行顯示，并且控制固態繼電器工作。并通過報警系統進行測量越界警報在器件選擇上，采用大容量的FPGA芯片，可以有以下選型，如采用Altera公司的Stratix、CycloneⅡ等FPGA芯片。本系統采用CycloneⅡ系列，型號為EP2C8Q208C8的芯片。該芯片包含多達8千個邏輯單元，可以滿足該系統的高性價比的需求。

2 溫度的采集和顯示

DS18B20數字溫度傳感器被廣泛使用。它具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等特點。并且因為它具有多點聯網功能，多個傳感器收集的數據可以同時并聯。

2.1 溫度采集模塊

DS18B20由單總線進行初始化。在初始化過程中，確定是否成功檢測到傳感器。如果檢測成功，則執行延遲函數并將數據線使能拉高以完成傳感器的初始化；若檢測不成功則復位。DS18B20經過CRC認證驗證，讀取采集的模擬量和數據轉換。

2.2 溫度顯示模塊

在LCD顯示模塊中，使用兩行液晶顯示器1602。溫度傳感器DS18B20初始化后，序列號識別由1602執行。初始化完成后，LCD可以實時顯示采樣的溫度以及溫度監測范圍，并可以通過繼電器控制溫度。

3 數據處理和仿真

由于DS18B20的特性，收集后輸出數字信號，那么在數據??處理過程中，對所有數字信號進行處理，但MCU需要通過模擬信號量對繼電器進行控制，即數字信號需要通過DA轉換為模擬信號量進行處理。因此該系統使用具有多通道多路DA轉換芯片tlc5620。

利用modelsim軟件，對設計系統進行軟件仿真.得到仿真結果如圖2所示。

如圖2所示，ds是溫度控制信號，clk_relay信號是繼電器控制信號。繼電器在溫度控制部分的輸出為0時，啟動工作，并實現整個系統的溫度控制功能。從圖中可知，溫度的輸出信號決定著繼電器工作狀態，該信號并不是周期性的輸出，而是隨溫度的變化而規律變化。通過控制繼電器可以調節溫度，最終實現了對整個系統的溫度控制。

4 結語

通過仿真軟件的驗證，說明該系統設計符合要求，設計溫度范圍為0℃～50℃，控制精度達到±0.1℃。最后，利用AD設計軟件實現PCB電路圖的繪制和加工，實現整個溫控系統的軟硬件設計。

表1中的數據表明，測量精度可以達到±0.1°C，溫度最大誤差達到1.4°C。溫度控制系統可以滿足高精度可控要求。

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