基于FPGA的温度传感器系统

0湖北科技学院计算机学院FPGA 原理及应用课程设计课设题目：温度传感器系统院 系：计算机科学与技术专 业：物联网工程学生姓名： 学 号：学生姓名： 学 号：学生姓名： 学 号：1学生姓名： 学 号：指导教师：2014 年 12 月目录一 课程设计目的 .1二 课程设计题目描述和要求 .12.1 课程设计题目描述 .12.2 温度传感器检测标准及技术 .1三 课程设计报告内容 .23.1 设计方案 .23.2 设计方案论证 .2四 硬件各部分工作原理 .24.1 FPGA 芯片简介 .24.2 标准温度测量模块 .64.3 RS-232 串口通信模块 .74.4 LCD1602 液晶显示 .7五 系统电路原理框图 .9六 软件设计 .96.1 软件原理框图 .926.2 时序分析 .10七 误差分析 .11八 程序设计 .118.1 主要代码 .118.2 液晶显示程序 .17九 总结 .20十 参考文献 .210一 课程设计目的 温度是一种最基本的环境参数,人们的生活与环境的温度息息相关,在工业生产过程中需要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量,因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器,温度传感器的发展经历了三个发展阶段:传统的分立式温度传感器;模拟集成温度传感器;智能集成温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式,从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。本文将介绍采用智能集成温度传感器DS18B20,并以 FPGA 为控制器的温度测量装置的硬件组成和软件设计，用液晶来实现温度显示。二 课程设计题目描述和要求2.1 课程设计题目描述这次基于 FPGA 温度监测系统设计的课程设计由总体框架构成下，各个部分模块的拼接与联系，在 Quartus 软件的基础上实现温度监测的功能。首先硬件由 DS18B20 温度传感器，1602 液晶，发光二极管，按键等组成；软件部分由二分频电路，键盘电路和弹跳消除电路组成；最后将硬件和软件合理的结合形成温度监测系统。该实验采用由总到分再到总的实验模式，在总体思路下各硬件电路的实现以及软件电路的辅助之后再总的合并，即完成该课程设计。其中软件的形成需要我们熟悉掌握 Quartus 软件，由原理图程序编写程序编译程序修改再次编译管脚定义程序下载程序加载硬件测试的过程。2.2 温度传感器检测标准及技术1、测量准确度：0.01 级;分辨率 0.1uV 和 0.1m；2、扫描开关寄生电势：0.4V；3、温度范围： 水槽：(室温 +595) 油槽：(95 300) 低温恒温槽：(-80 100) 高温炉：(3001200)；4、控温稳定度：优于 0.01/10min(油槽、水槽、低温恒温槽);0.2/min(管式检定炉)；5、总不确定度：热电偶检定，测量不确定度优于 0.7，重复性误差0.25;热电阻检定测量不确定度优于 50mk，重复性误差10mk；16、工作电源：AC220V10%，50Hz，并有良好保护接地；三 课程设计报告内容3.1 设计方案（1） 查阅相关文献资料，熟悉所选 FPGA 芯片及温度传感器（2）总体设计方案规划 （3）系统硬件设计，熟悉 AD 转换原理及过程，温度传感器与 FPGA 芯片的硬件接口实现及温度显示。 （4）系统软件设计，包括温度的 AD 转换及显示的软件实现，用 VHDL 语言编程 。（5）设计心得体会及总结 。3.2 设计方案论证有许多客观需求促进了 FPGA 芯片的设计改进。首先，便携式的嵌入式系统往往需要电池供电。为降低功耗，FPGA 芯片已被特殊设计成较小的核，从而延长了电池的使用时间。 高的代码密度是嵌入式系统的又一个重要需求。由于成本问题和物理尺寸的限制，嵌入式系统的存储器是很有限的。所以，高的代码密度对于那些只限于在板存储器的应用是非常有帮助的。 另外，嵌入式系统通常都是价格敏感的，因此一般都使用速度不高、成本较低的存储器。 FPGA 芯片不是一个纯粹的 RISC 体系结构，这是为了使它能够更好的适应其主要应用领域嵌入式系统。在某种意义上，甚至可以认为FPGA 芯片的成功，正是因为它没有在 RISC 的概念上沉入太深。现在系统的关键并不在于单纯的处理器速度，而在于有效的系统性能和功耗。 在本系统的设计过程中，根据嵌入式系统的基本设计思想，系统采用了模块化的设计方法，并且根据系统的功能要求和技术指标，系统遵循自上而下、由大到小、由粗到细的设计思想，按照系统的功能层次，在设计中把硬件和软件分成若干功能模块分别设计和调试，然后全部连接起来统调。四 硬件各部分工作原理4.1 FPGA 芯片简介目 前 以 硬 件 描 述 语 言 （ Verilog 或 VHDL） 所 完 成 的 电 路 设 计 ， 可 以 经2过 简 单 的 综 合 与 布 局 ， 快 速 的 烧 录 至 FPGA 上 进 行 测 试 ， 是 现 代 IC 设计 验 证 的 技 术 主 流 。 这 些 可 编 辑 元 件 可 以 被 用 来 实 现 一 些 基 本 的 逻 辑 门 电 路（ 比 如 AND、 OR、 XOR、 NOT） 或 者 更 复 杂 一 些 的 组 合 功 能 比 如 解 码 器 或 数 学方 程 式 。 在 大 多 数 的 FPGA 里 面 ， 这 些 可 编 辑 的 元 件 里 也 包 含 记 忆 元 件 例 如触 发 器 （ Flip flop） 或 者 其 他 更 加 完 整 的 记 忆 块 。 系 统 设 计 师 可 以 根 据 需要 通 过 可 编 辑 的 连 接 把 FPGA 内 部 的 逻 辑 块 连 接 起 来 ， 就 好 像 一 个 电 路 试 验板 被 放 在 了 一 个 芯 片 里 。 一 个 出 厂 后 的 成 品 FPGA 的 逻 辑 块 和 连 接 可 以 按 照设 计 者 而 改 变 ， 所 以 FPGA 可 以 完 成 所 需 要 的 逻 辑 功 能 。 FPGA 一 般 来 说 比ASIC（ 专 用 集 成 芯 片 ） 的 速 度 要 慢 ， 无 法 完 成 复 杂 的 设 计 ， 而 且 消 耗 更 多 的电 能 。 但 是 他 们 也 有 很 多 的 优 点 比 如 可 以 快 速 成 品 ， 可 以 被 修 改 来 改 正 程 序中 的 错 误 和 更 便 宜 的 造 价 。 厂 商 也 可 能 会 提 供 便 宜 的 但 是 编 辑 能 力 差 的FPGA。 因 为 这 些 芯 片 有 比 较 差 的 可 编 辑 能 力 ， 所 以 这 些 设 计 的 开 发 是 在 普 通的 FPGA 上 完 成 的 ， 然 后 将 设 计 转 移 到 一 个 类 似 于 ASIC 的 芯 片 上 。 另 外 一种 方 法 是 用 CPLD（ 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 备 ） 。 FPGA 采 用 了 逻 辑 单 元 阵 列 LCA（ Logic Cell Array） 这 样 一 个 概 念 ， 内部 包 括 可 配 置 逻 辑 模 块 CLB（ Configurable Logic Block） 、 输 出 输 入 模块 IOB（ Input Output Block） 和 内 部 连 线 （ Interconnect） 三 个 部 分 。 现 场 可 编 程 门 阵 列 （ FPGA） 是 可 编 程 器 件 。 与 传 统 逻 辑 电 路 和 门 阵 列 （ 如PAL， GAL 及 CPLD 器 件 ） 相 比 ， FPGA 具 有 不 同 的 结 构 ， FPGA 利 用 小 型 查 找表 （ 161RAM） 来 实 现 组 合 逻 辑 ， 每 个 查 找 表 连 接 到 一 个 D 触 发 器 的 输 入端 ， 触 发 器 再 来 驱 动 其 他 逻 辑 电 路 或 驱 动 I/O， 由 此 构 成 了 既 可 实 现 组 合 逻辑 功 能 又 可 实 现 时 序 逻 辑 功 能 的 基 本 逻 辑 单 元 模 块 ， 这 些 模 块 间 利 用 金 属 连线 互 相 连 接 或 连 接 到 I/O 模 块 。 FPGA 的 逻 辑 是 通 过 向 内 部 静 态 存 储 单 元 加载 编 程 数 据 来 实 现 的 ， 存 储 在 存 储 器 单 元 中 的 值 决 定 了 逻 辑 单 元 的 逻 辑 功 能以 及 各 模 块 之 间 或 模 块 与 I/O 间 的 联 接 方 式 ， 并 最 终 决 定 了 FPGA 所 能 实 现的 功 能 ， FPGA 允 许 无 限 次 的 编 程 . FPGA 电 源 要 求 输 出 电 压 范 围 从 1.2V 到 5V， 输 出 电 流 范 围 从 数 十 毫 安 到数 安 培 。 可 用 三 种 电 源 ： 低 压 差 (LDO)线 性 稳 压 器 、 开 关 式 DC-DC 稳 压 器 和开 关 式 电 源 模 块 。 最 终 选 择 何 种 电 源 取 决 于 系 统 、 系 统 预 算 和 上 市 时 间 要 求 。3如 果 电 路 板 空 间 是 首 要 考 虑 因 素 ， 低 输 出 噪 声 十 分 重 要 ， 或 者 系 统 要 求 对 输入 电 压 变 化 和 负 载 瞬 变 做 出 快 速 响 应 ， 则 应 使 用 LDO 稳 压 器 。 LDO 功 效 比较 低 （ 因 为 是 线 性 稳 压 器 ） ， 只 能 提 供 中 低 输 出 电 流 。 输 入 电 容 通 常 可 以 降低 LDO 输 入 端 的 电 感 和 噪 声 。 LDO 输 出 端 也 需 要 电 容 ， 用 来 处 理 系 统 瞬 变 ，并 保 持 系 统 稳 定 性 。 也 可 以 使 用 双 输 出 LDO， 同 时 为 VCCINT 和 VCCO 供 电如 果 在 设 计 中 效 率 至 关 重 要 ， 并 且 系 统 要 求 高 输 出 电 流 ， 则 开 关 式 稳 压 器 占优 势 。 开 关 电 源 的 功 效 比 高 于 LDO， 但 其 开 关 电 路 会 增 加 输 出 噪 声 。 与LDO 不 同 ， 开 关 式 稳 压 器 需 利 用 电 感 来 实 现 DC-DC 转 换 。 为 确 保 正 确 上 电 ， 内 核 电 压 VCCINT 的 缓 升 时 间 必 须 在 制 造 商 规 定 的 范 围内 。 对 于 一 些 FPGA， 由 于 VCCINT 会 在 晶 体 管 阈 值 导 通 前 停 留 更 多 时 间 ， 因此 过 长 的 缓 升 时 间 可 能 会 导 致 启 动 电 流 持 续 较 长 时 间 。 如 果 电 源 向 FPGA提 供 大 电 流 ， 则 较 长 的 上 电 缓 升 时 间 会 引 起 热 应 力 。 ADI 公 司 的 DC-DC 稳压 器 提 供 可 调 软 启 动 ， 缓 升 时 间 可 以 通 过 外 部 电 容 进 行 控 制 。 缓 升 时 间 典 型值 在 20ms 至 100ms 范 围 内 。 许 多 FPGA 没 有 时 序 控 制 要 求 ， 因 此VCCINT、 VCCO 和 VCCAUX 可 以 同 时 上 电 。 如 果 这 一 点 无 法 实 现 ， 上 电 电 流 可以 稍 高 。 时 序 要 求 依 具 体 FPGA 而 异 。 对 于 一 些 FPGA， 必 须 同 时 给 VCCINT和 VCCO 供 电 。 对 于 另 一 些 FPGA， 这 些 电 源 可 按 任 何 顺 序 接 通 。 多 数 情 况 下 ，先 给 VCCINT 后 给 VCCO 供 电 是 一 种 较 好 的 做 法 。 当 VCCINT 在 0.6V 至 0.8V范 围 内 时 ， 某 些 FPGA 系 列 会 产 生 上 电 涌 入 电 流 。 在 此 期 间 ， 电 源 转 换 器 持续 供 电 。 这 种 应 用 中 ， 因 为 器 件 需 通 过 降 低 输 出 电 压 来 限 制 电 流 ， 所 以 不 推荐 使 用 返 送 电 流 限 制 。 但 在 限 流 电 源 解 决 方 案 中 ， 一 旦 限 流 电 源 所 供 电 的 电路 电 流 超 过 设 定 的 额 定 电 流 ， 电 源 就 会 将 该 电 流 限 制 在 额 定 值 以 下 。对 于 高 速 、 高 密 度 FPGA 器 件 ， 保 持 良 好 的 信 号 完 整 性 对 于 实 现 可 靠 、 可重 复 的 设 计 十 分 关 键 。 适 当 的 电 源 旁 路 和 去 耦 可 以 改 善 整 体 信 号 完 整 性 。 如果 去 耦 不 充 分 ， 逻 辑 转 换 将 会 影 响 电 源 和 地 电 压 ， 导 致 器 件 工 作 不 正 常 。 此外 ， 采 用 分 布 式 电 源 结 构 也 是 一 种 主 要 解 决 方 案 ， 给 FPGA 供 电 时 可 以 将 电源 电 压 偏 移 降 至 最 低 。 在 传 统 电 源 结 构 中 ， AC/DC 或 DC/DC 转 换 器 位 于 一个 地 方 ， 并 提 供 多 个 输 出 电 压 ， 在 整 个 系 统 内 分 配 。 这 种 设 计 称 为 集 中 式电 源 结 构 (CPA)， 见 左 图 。 以 高 电 流 分 配 低 电 压 时 ， 铜 线 或 PCB 轨 道 会 产4生 严 重 的 电 阻 损 耗 ， CPA 就 会 发 生 问 题 。 CPA 的 替 代 方 案 是 分 布 式 电 源 结构 (DPA)， 见 左 图 。 采 用 DPA 时 ， 整 个 系 统 内 仅 分 配 一 个 半 稳 压 的 DC 电 压 ，各 DC/DC 转 换 器 （ 线 性 或 开 关 式 ） 与 各 负 载 相 邻 。 DPA 中 ， DC/DC 转 换 器 与负 载 （ 例 如 FPGA） 之 间 的 距 离 近 得 多 ， 因 而 线 路 电 阻 和 配 线 电 感 引 起 的 电 压下 降 得 以 减 小 。 这 种 为 负 载 提 供 本 地 电 源 的 方 法 称 为 负 载 点 (POL)。 目 前 主 流 的 FPGA 仍 是 基 于 查 找 表 技 术 的 ， 已 经 远 远 超 出 了 先 前 版 本 的 基本 性 能 ， 并 且 整 合 了 常 用 功 能 （ 如 RAM、 时 钟 管 理 和 DSP） 的 硬 核 （ ASIC型 ） 模 块 。 如 图 1-1 所 示 （ 注 ： 图 1-1 只 是 一 个 示 意 图 ， 实 际 上 每 一 个 系列 的 FPGA 都 有 其 相 应 的 内 部 结 构 ） ， FPGA 芯 片 主 要 由 7 部 分 完 成 ， 分 别为 ： 可 编 程 输 入 输 出 单 元 、 基 本 可 编 程 逻 辑 单 元 、 完 整 的 时 钟 管 理 、 嵌 入 块式 RAM、 丰 富 的 布 线 资 源 、 内 嵌 的 底 层 功 能 单 元 和 内 嵌 专 用 硬 件 模 块 。FPGA 基 本 特 点 ： 1） 采 用 FPGA 设 计 ASIC 电 路 (专 用 集 成 电 路 )， 用 户 不需 要 投 片 生 产 ， 就 能 得 到 合 用 的 芯 片 。 2） FPGA 可 做 其 它 全 定 制 或 半 定 制ASIC 电 路 的 中 试 样 片 。 3） FPGA 内 部 有 丰 富 的 触 发 器 和 I/O 引 脚 。 4）FPGA 是 ASIC 电 路 中 设 计 周 期 最 短 、 开 发 费 用 最 低 、 风 险 最 小 的 器 件 之 一 。 5) FPGA 采 用 高 速 CMOS 工 艺 ， 功 耗 低 ， 可 以 与 CMOS、 TTL 电 平 兼 容 。 可 以 说 ，FPGA 芯 片 是 小 批 量 系 统 提 高 系 统 集 成 度 、 可 靠 性 的 最 佳 选 择 之 一 。 FPGA是 由 存 放 在 片 内 RAM 中 的 程 序 来 设 置 其 工 作 状 态 的 ， 因 此 ， 工 作 时 需 要 对 片内 的 RAM 进 行 编 程 。 用 户 可 以 根 据 不 同 的 配 置 模 式 ， 采 用 不 同 的 编 程 方 式 。加 电 时 ， FPGA 芯 片 将 EPROM 中 数 据 读 入 片 内 编 程 RAM 中 ， 配 置 完 成 后 ，FPGA 进 入 工 作 状 态 。 掉 电 后 ， FPGA 恢 复 成 白 片 ， 内 部 逻 辑 关 系 消 失 ， 因 此 ，FPGA 能 够 反 复 使 用 。 FPGA 的 编 程 无 须 专 用 的 FPGA 编 程 器 ， 只 须 用 通 用 的EPROM、 PROM 编 程 器 即 可 。 当 需 要 修 改 FPGA 功 能 时 ， 只 需 换 一 片 EPROM 即可 。 这 样 ， 同 一 片 FPGA， 不 同 的 编 程 数 据 ， 可 以 产 生 不 同 的 电 路 功 能 。 因此 ， FPGA 的 使 用 非 常 灵 活 。54.2 标准温度测量模块美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一线总线“接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。DS18B20 的主要特性： （1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 （2）独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯 （3）DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测（4）DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 （5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5 （6）可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度测温（7）在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为