基于FPGA的溫度顯示儀的設(shè)計

王宇

摘 要：本文以K型熱電偶作為溫度傳感器，配合MAX6675模塊通過SPI協(xié)議將12位的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA上，并在1602字符液晶屏上顯示溫度。利用Quartus II進行硬件語言的編寫，并在ModelSim仿真軟件中進行時序仿真，仿真波形驗證了設(shè)計的正確性。

關(guān)鍵詞：K型熱電偶；MAX6675；SPI協(xié)議；FPGA

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.136

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中常用的溫度傳感器有數(shù)字式溫度傳感器和模擬式溫度傳感器，模擬式溫度傳感器由于其測量溫度寬泛、測量精度高，在諸多領(lǐng)域里的使用越來越廣泛[1]。本文設(shè)計了一款基于FPGA的K型熱電偶溫度顯示儀，在此首先介紹了K型熱電偶和MAX6675的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，并給出了基于FPGA的Verilog硬件描述語言的程序編寫。最后通過ModelSim軟件進行時序仿真，并將控制程序下載到DE2-115開發(fā)板上，試驗結(jié)果驗證了基于FPGA的K型熱電偶溫度顯示儀設(shè)計的正確性與實用性。

1 K型熱電偶和MAX6675的工作原理

K型熱電偶在工作時，由于熱端和冷端之間會存在溫度差，從而導(dǎo)致冷熱兩段之間產(chǎn)生了電壓差，這種電壓差的存在會在感溫線上形成一個大小相應(yīng)的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)（或熱電現(xiàn)象）。熱電偶就是利用這一原理將溫度量值轉(zhuǎn)換成電壓差量值的傳感器。如果K型熱電偶的冷端溫度保持恒定（比如為0℃），則輸出的電壓差值和熱端溫度值成一一對應(yīng)的關(guān)系。

當MAX6675 的CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，MAX6675 將停止任何信號的轉(zhuǎn)換并在時鐘SCK的作用下向外輸出已轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)。相反，當CS從低電平變回高電平時，MAX6675將進行新的轉(zhuǎn)換。在CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，第一個字節(jié)D15將出現(xiàn)在引腳SO。一個完整的數(shù)據(jù)讀過程需要16個時鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取通常在SCK的下降沿進行。

2 系統(tǒng)硬件語言的設(shè)計

溫度顯示儀系統(tǒng)包括MAX6675控制模塊、串并轉(zhuǎn)換模塊和LCD顯示模塊，系統(tǒng)的RTL視圖如圖1所示：

2.1 MAX6675控制模塊

溫度轉(zhuǎn)換芯片MAX6675的輸入時鐘由外部提供，本文將輸入FPGA的50MHz時鐘二分頻給sclk，其中CS為片選信號，拉低時，MAX6675停止轉(zhuǎn)換，并將當前轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)由SO串行輸出[2]。

2.2 串并轉(zhuǎn)換模塊

溫度轉(zhuǎn)換芯片MAX6675輸出的是串行16位數(shù)據(jù)[3]，其中D14-D3為12位溫度數(shù)據(jù)。為了使LCD能實時顯示溫度信息，需要設(shè)計一個串并轉(zhuǎn)換的模塊，并將轉(zhuǎn)換后的表示整數(shù)的10位二進制碼轉(zhuǎn)化為16位的BCD碼，16位BCD碼每4位就能表示0-9的數(shù)[4]。

2.3 LCD顯示模塊

本設(shè)計顯示模塊采用的是16x2 LCD 模組，LCD的模塊的讀與寫、顯示屏、地址配置、光標的操作都是通過指令編碼來實現(xiàn)的，該模塊采用狀態(tài)機來實現(xiàn)設(shè)計。為了方便控制和便于理解，該模塊采用狀態(tài)機來實現(xiàn)設(shè)計。在模塊設(shè)計中設(shè)置了8個狀態(tài)，分別是起始狀態(tài)clear、設(shè)置CGRAM狀態(tài)setCGRAM、工作參數(shù)設(shè)置狀態(tài)setfunction、顯示參數(shù)設(shè)置狀態(tài)setswitchmode、輸入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)setmode、光標歸位設(shè)置狀態(tài)returncursor、字符移位設(shè)置狀態(tài)shift、寫RAM設(shè)置狀態(tài)writeRAM，狀態(tài)編碼采用獨熱碼方式[5]。

3 試驗結(jié)果

本文的設(shè)計以DE2-115開發(fā)板為實驗平臺，該開發(fā)板選用Altera Cyclone IV 4CE115 FPGA芯片。設(shè)計經(jīng)過ModelSim仿真無誤后，下載到DE2-115開發(fā)板上，實驗結(jié)果如圖2所示，LCD能實時顯示當前測量溫度，滿足設(shè)計指標要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的溫度顯示儀能準確溫度，實時顯示。整體系統(tǒng)性能穩(wěn)定、精度較高，達到了預(yù)期設(shè)計目標。試驗結(jié)果表明，這是一種實用的測溫儀設(shè)計方案，對一些需要以FPGA作為主控單元的溫度采集系統(tǒng)有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]郭銳，徐玉斌.K型熱電偶冷端補償方案[J].儀器儀表學(xué)報，2006

，27（z1）：331-333.

[2]樊恩東，陳湘萍.基于PID算法的溫度實時控制[J].電子世界，2016（19）：113-114.

[3]丁利輝.硅碳棒式加熱爐的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計[J].有色金屬加工，2007，36（06）：54-56.

[4]韓彬.FPGA設(shè)計技巧與案例開發(fā)詳解[M].第2版.電子工業(yè)出版社，2016.

[5]數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與Verilog HDL[M].第6版.電子工業(yè)出版社，2016.