基于VHDL的空调温度控制系统设计

陕西理工学院毕业设计题 目 基于 VHDL 的空调温度控制系统的设计 学生姓名 王俊 学号 1 213014057 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 电子 1202 班 完成地点 博远楼 C1019 2016 年 6 月 12 日陕西理工学院毕业设计基于 VHDL 的空调温度控制系统的设计作者：王俊 （陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业 1202 班, 陕西 汉中 723000）指导老师：王婷摘要 本论文主要完成了基于 VHDL 的空调温度控制系统的设计。本设计采用了温度传感器DS18B20，Altera 公司 ACEX 1K 系列的 EP1K30TC144-3 控制器。控制器部分采用 VHDL 语言编写，硬件主要有六大模块：温度设置模块、定时模块、LED 显示模块、分频模块、FPGA 控制器模块、DS18B20 温度传感器设置模块。最后实现使用 FPGA 比较设置温度与测量所得温度，并发出指令给空调电机执行部分，按设置的时长实现升温或降温，当设置温度与测量温度相等时，不执行调节温度功能。另外根据输入数据的变化和温度传感器测量得到的温度同步变化 LCD 上显示。利用 Quartus II 软件进行仿真。关键词 FPGA；温度测控；VHDL；DS18B20陕西理工学院毕业设计The Design Of Air Conditioning Temperature Control System Based On VHDLThe author:Wangjun（Grade12,Class 02,Major of Electronic information engineering,School of physics and telecommunication engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi）Tutor: WangTingabstract:This thesis mainly completed the design of air conditioning temperature control system based on VHDL. This design uses the temperature sensor DS18B20, Altera company ACEX 1K series of EP1K30TC144-3 controller. The controller part adopts VHDL language, Hardware mainly have six modules: temperature setting module, regular module, LED display module, points frequency module, FPGA controller module. finally realize the FPGA set temperature and compared using the temperature measurement, and sent out the instructions to air conditioner motor executive part, according to the set time heating or cooling realized, when set temperature and measuring temperature equal, not to enforce temperature adjustment function. In addition to the change of the data according to the input and temperature sensor measuring the temperature change get synchronous displayed on the LCD. Use Quartus II was simulated.Key words:FPGA;temperature measurement and control; VHDL;DS18B20陕西理工学院毕业设计目录1 绪论 .11.1 课题的背景及国内外研究概况 .11.2 课题的内容及方法 .22 可编程逻辑器件 .32.1 可编程逻辑器件介绍 .32.1.1 PLD 的发展历程 .32.1.2 可编程逻辑器件的结构 .32.1.3 可编程逻辑器件的分类 .32.1.4 可编程逻辑器件的应用前景和趋势 .42.2 EDA 技术 .52.3 VHDL 语言 .52.3.1 VHDL 的特点 .52.3.2 VHDL 的设计步骤 .53 系统及电路方案选择 .63.1 空调技术概述 .63.2 方案论证与确定 .63.2.1 方案的选择 .63.2.2 方案论证与确定 .74 硬件电路设计 .84.1 硬件整体结构及原理 .84.2 高精度数字传感器 DS18B20 .84.2.1 温度传感器的介绍 .84.2.2 温度传感器的选择 .84.3 LED 显示电路 .114.4 系统总电路图 .125 系统软件设计及仿真 .145.1 温度设置模块设计及仿真 .145.2 定时模块设计及仿真 .155.3 控制模块设计及仿真 .185.3.1 控制模块下的温度模块设计及仿真 .195.3.2 控制模块下的 FPGA 控制器模块设计及仿真 .205.3.3 控制模块整体设计及仿真 .215.4 显示模块设计及仿真 .225.5 分频模块设计及仿真 .245.6 基于 VHDL 的空调控制系统综合仿真 .25总 结 .27致 谢 .28参考文献 .29附录 A 外文翻译 .30附录 B 源程序 .35陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 43 页1 绪论1.1 课题的背景及国内外研究概况随着信息化和数字化的不断发展，数字集成电路扮演着愈来愈重要的角色，在当今社会具有重要的应用价值。它由初期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)和很多具备特定性能的专用集电路。然而，随着科学技术的不断前进，制造设计集成电路的任务己不在由半导体厂商亲自担当。电子设计师们愈加喜爱自己设计的专用集成电路(ASIC)芯片，而且有望 ASIC 的设计周期尽量短，尽可能在实验室里能够设计出符合的 ASIC 芯片，然后投入生活应用当中，于是涌现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，一个使用最广泛的现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。大规模可编程逻辑器件 CPLD 与 FPGA 为现今使用最普遍的两类可编程专用集成电路，电子设计工程师借助它能够在实验室里设计出实用的专用集成电路，于是大大降低了产品的上市时期，使开发本钱减少。另外，可编程逻辑器件还拥有静态可重复编程与动态在系统重构的特点，硬件的性能与软件相似，能够通过编程来修正，因此很好的增强了电子系统设计的灵便性与实用性。因为拥有以上两方面的特征，CPLD 与 FPGA 得到了国内国际电子设计工程师们的喜爱，具有普遍的市场应用价值。近年来，超大规模集成电路技术不断改进且日趋完善，选用 FPGA 或 CPLD 进行数字电路的设计愈来愈受到当代人们的欢迎。FPGA 芯片的可编程性与 VHDL 语言的使用让数字电路的设计周期与复杂度均大大减少。空调温度控制系统在市场生活中具有重要意义，本文设计的空调温度控制系统包括温度设置模块、DS18B20 温度传感器控制模块、定时模块、LED 显示模块、分频模块等主要模块，系统采用传感器检测温度，然后经过模数转换器把对应的数字值送入 FPGA；通过键盘输入目标温度值；这 2 个数字通过数码管显示出来，通过对比两值进行判断升温或者降温，以达到目标：温度控制和检测。空调控制系统科研是一种在现实生活中经常使用的控制系统，针对各个阶层的温度控制对象，呈现了各种特定的温度控制方式。整体看来，温度控制方法按照划分准则差异分为不同温度控制的方式。按操作方式分为手动控制和自动控制；按调节原理分，主要有位式、PLD、模糊控制、PLD加模糊控制等。随着电子技术和计算机的迅速发展,VHDL 硬件描述语言得到了迅速发展和广泛应用。进入 21世纪后，空调温度控制器向数字化、实用化、普遍化、智能化等高水平的方向不断迈进。基于 VHDL 的空调温度控制系统设计，使智能化水平不断提高，功能得到进一步优化，空调是一种适用特定空间范围对空气进行加工处理，作用是对该房间或一定范围内空气的温度、湿度、洁净度与空气流速等相关参数通过调整，来满足人们对舒适环境或工艺的需求，改变人们的生活方式,进而也满足了工艺加工过程对精度的要求。国际在 20 世纪 70 年代就发现了温度控制技术。开始选用模拟方式的组合仪表，对现场信息进行收集然后进行指示、记录与控制。80 年代末出现了分布式控制系统。如今，正开发和研制具有多功能综合控制系统的计算机数据采集系统。当前各个国家的温度测控技术发展都比较快，部分国家在达到自动化的基础上向完全自动化、无人化趋势方向迈进。我国在 20 世纪 80 年才出现了对温度测控技术的研究，我国工程技术人员在借鉴发达国家温度测控经验的基础上，逐步掌握了温度室内微机控制技术，该技术只适用对单一温度环境因子的控制。我国在温度测控技术应用领域方面，正从简单适用阶段向实用性、可靠性、综合性应用阶段过渡。20 世纪末，在计算机技术的影响下，电子技术取得了快速发展，当代电子产品大部分在社会各个领域占有一定地位，极大地推进了社会生产力的发展以及信息化水平的提高，EDA 技术是当代电子设计技术的焦点，它依附于功能强大的计算机，通过在 EDA 软件平台上，对硬件描述语言VHDL 系统逻辑描述并进行文件设计，进而实现逻辑化简、分割、以及布局综合，然后应用逻辑优化和仿真调试等功能，直到特定的电子线路系统功能得以实现。在 20 世纪 90 年代初，人们意识到VHDL 不但能够适用系统模拟的建模工具，还能够适用电路体系的设计工具，该软件工具能够将VHDL 源码自动地转化为文本方式表达所需的基本逻辑元件连接图，也就是网表文件。这种方法对于电路自动设计是一个明显的改善。随着电子技术发展，第一个软件设计工具在电子领域得以出现，陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 43 页即 VHDL 逻辑综合器，它能够将标准 VHDL 的部分语句描述变为特定电路完成的网表文件 4。1.2 课题的内容及方法本文重点介绍了可编程逻辑器件在数字系统设计中的意义，本文主要研究的是以可编程逻辑器件为应用特性主线，对可编程逻辑器件进行应用分析和研究，研究其应用价值和市场价值;探究可编程逻辑器件结构和数字系统设计在特征上与传统电子器件的差别；重点分析 PLD 大公司的产品、设计用具与程序编程，比较各公司产品的特色与欠缺。本次设计基于 VHDL 的空调温度控制系统设计，充分呈现了可编程逻辑器件在数字系统设计中的应用前景，对技术的发展有一定的推动作用，进而对可编程逻辑器件的价值研究也有重要意义 1。本次设计电路利用 EDA 技术得以实现，通过在 Quartus II 软件开发环境下实现温度控制系统的整体方案，用 VHDL 语言来编写各分模块设计，并对仿真结果进行分析比较。利用 VHDL 语言进行编写，系统采用温度传感器检测温度，然后经过模数转换器将对应的数字值送入 FPGA；通过键盘输入目标温度值；这两个数字值都显示出来，两值通过比较确定升温或者降温，达到了温度检测和控制的目标。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 43 页2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）在 20 世纪 70 年代逐渐发展起来，它是一种新的集成器件。PLD 在大规模集成电路技术发展的趋势下所产生，是一类半定制的适用性器件，和专用集成电路 ASIC 比较，PLD 具备灵敏度高、周期设计较短、老本低、危害小等优势，所以得到了广泛应用。由于 PLD 的应用是离不开 EDA 技术与 VHDL 语言的支持，因此 PLD 应用是和EDA 技术与 VHDL 语言有着密不可分的联系。下面分别对这三个部分进行介绍。2.1 可编程逻辑器件介绍2.1.1 PLD 的发展历程可编程逻辑器件的发展历史大致经历了从 PROM、PLA 、 PAL、可重复编的 GAL，到采用大规模集成电路技术的 EPLD，直到 CPLD 与 FPGA 的发展过程。它在布局、制造工艺、集成度、逻辑功能、速率和功能上都有了很大的提高与创新。通常，可编程逻辑器件的发展历史如下：20 世纪 80 年代末，出现了 FPGA；CAE 与 CAD 技术在生活中也广泛应用，它们在 PCB 设计层面的原理图绘制，自动布局布线和 PCB 研究分析，以及逻辑设计等方面承担着密不可分的角色。20 世纪 90 年代后，在工艺领域应用方面，可编程逻辑器件的线宽愈来愈小，集成门数愈来愈大，功耗愈来愈低；在测试技术方面，可采用可编程逻辑器件的边界扫描测试技术；在逻辑功能上，上实现 DSP（数字信号处理）应用成为可能。支持标准硬件描述语言的设计和仿真 EDA 软件也在不断地更新，推动了科学技术的发展 2。2.1.2 可编程逻辑器件的结构PLD 基本结构：PLD 的基本结构由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等 4 部分组成。新型的 PLD 则将输出电路设计为单元，让用户能够依据需求选择各类灵便的输出方式。当前，应用最普遍流行的可编程逻辑器件是 CPLD 与 FPGA。CPLD：初期的 CPLD 大部分用来取代 PAL 器件，因此其布局和 PAL、GAL 大体一致，运用了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。当前，普遍的半导体公司，如 Xilinx 和 AMD 公司等。大部分的 EPLD、CPLD 器件中最少包含 3 种结构：可编程逻辑宏单元、可编程 I/O 单元与可编程内部连线。FPGA：在 FPGA 中，常用的编程工艺有反熔丝和 SRAM 两类。反熔丝占地面积小，有利于提高芯片集成，但需要专门的程序员，只有一次编程。Altera 公司的与非门结构是在一个由与门、或和异或门组成的逻辑模块的基础上改造的。这个基本电路能够用一个触发器与一个多路开关来设计组成。2.1.3 可编程逻辑器件的分类随着微电子技术的成熟和不断向前迈进，可编程逻辑器件种类愈来愈多，型号愈来愈复杂。如今，PLD 还没有明确的区分准则，接下来从集成度、可编程原理和结构特征三方面对 PLD 进行单一的分类。按集成度分类：PLD 按照集成密度可划分为低密度可编程逻辑器件（LDPLD）与高密度可编程逻辑器件（HDPLD）两类。日常生活中，当 PLD 中的等效门数高出 500 门时，就认为它是高密度。其具体的 PLD 结构图划分如图 2.1 所示：陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 43 页PLDLDPLD HDPLDPLA PLAPLAGAL EPLD EPLDPLACPLDFPGA FPGAFPGAFPGAFPGAPROM图 2.1 PLD 结构图 按可编程原理分类：根据可编程特性能够将 PLD 划分为一次性编程与重复可编程两类。一次性可编程的主要产物是 PROM、PAL 与熔丝型 FPGA，另外的可编程产物大部分是重复可编程的。一次性可编程器件的特征是集成度高、工作频率实用、可靠性高、抗干扰能力强。但是重复可编程器件的特征是可多次修正设计，尤其对系统样机的研制比较适用。按结构特点分类：当前，经常使用的可编程逻辑器件均是从与阵列、或阵列和门阵列发展起来的，因此从布局上可以划分为两大类。一是阵列型 PLD阵列型 PLD 的基本结构由与阵列和或阵列组成。简单 PLD（PROM、PLA、PAL 和GAL、 EPLD、和 CPLD）均属于阵列型 PLD。二是现场可编程门阵列 FPGAFPGA 拥有门阵列的结构特点，它是通过很多可编程逻辑单元（或逻辑功能块）排成阵列组成的，因此也将 FPGA 称为单元型 PLD。2.1.4 可编程逻辑器件的应用前景和趋势一是 PLD 在 ASIC 设计中的应用专用集成电路 ASIC 的设计任务是把一个有特定目的，并且有一定规模的电路或子系统集成化并设计在一芯片上，通常 ASIC 的设计不是运用全定制电路设计方法，就是运用半定制电路设计方法进行设计检测，如果不满足需求，就需要重新设计并进行验证。当前，HDPLD 拥有两种作用：一是适用最终产物；二是适用 ASIC 化的前道流程的开发并进行试制品检验。二是基于 EDA 的 CPLD/FPGA 应用高集成程度的数字电子产品是数字化的重要途径，我国的电子设计技术目前再一次面临新的改进即 CPLD/FPGA 在 EDA 基础上的普遍应用。CPLD/FPGA 在电子技术领域是无法代替的地位，并且具备一定的经济实用价值，在 IP 芯核产业中慢慢发展崛起，正愈来愈受到很多人士的普遍欢迎和喜爱。三是 CPLD/FPGA 的设计开发运用功能强大的 EDA 软件，设计成功的逻辑功能软件有较好的兼容性与可移植性，开发周期短。可编程逻辑器件 PLD/CPLD 目前约占全球市场规模中 6 成,IP 内核得到进一步应用与发展。主要体现在以下几方面：PLD 正在从 5V 电压向低电压 3.3V 和 2.5V 器件靠近，使得功耗不断下降。ASCI 与 PLD 之间互相融合。ASCI 与 FPGA 之间的边界愈来愈不清晰。一体化不断提高,价格继续降低，直至系统级开发。陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 43 页2.2 EDA 技术EDA 是当今电子设计技术的焦点，它依附于功能强大的计算机，在 EDA 工具软件平台上，通过硬件描述语言 HDL（Hardware Description Language）为系统逻辑实现相应的设计文件与编程，自动地实现逻辑简化、逻辑分割、逻辑归纳、布局综合（布局布线） ，以及逻辑优化与仿真测试等多项功能，直到对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射与编程下载等工作。在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计（CAD ） 、计算机辅助制造（CAM） 、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）技术以及多种计算机语言的设计概念。21 世纪，EDA 技术得到了快速的发展，主要集中表现在以下几个方面：（1）有可能在自主知识产权（IP）的形式中表达和确认电子设计成果，促使电子技术的飞速发展。（2）支持标准硬件描述语言的设计和仿真 EDA 软件也在不断地更新，推动了科学技术的发展。（3）EDA 电子技术领域各学科的边界愈来愈不清晰，愈来愈包容，如模拟和数字，软件和硬件、系统和器件、ASIC 和 FPGA 等。（4）软、硬件的核心技术目前已经广泛应用于电子行业、技术和设计应用领域。（5）电子技术已经进入到 EDA 时代，传统的电路设计已经发生了很大的改变，软件无线电的崛起推动了社会的不断进步 3。2.3 VHDL 语言VHDL 诞生于 1982 年，VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)是超高速集成电路硬件描述语言，是可以描述硬件电路的功能、信号连接关系和定时关系的语言它比电路原理图更有效地表示硬件电路的特征。使用 VHDL 语言，可以从系统的总体要求出发，自上至下地将设计内容标准细化，最终实现系统硬件的整体设计。VHDL 语言已作为一种 IEEE 的工业标准，设计结果便于复用与交流。当今，它还不能应用于模拟电路的设计，但已经有人投入研究。VHDL 程序结构包括：实体(Entity)、结构体 (Architecture)、配置(Configuration)、包集合(Package)及库(Library) 。其中，实体是一个 VHDL 程序的基本单元，由实体说明和结构体两部分组成：实体说明用于描述设计系统的外部接口信号；结构体用于描述系统的行为、系统数据的流程或系统组织结构形式。配置用语从库中选取所需的单元来组成系统设计的不同规格的不同版本，使被设计系统的功能发生相应改变 10。2.3.1 VHDL 的特点通过对 VHDL 进行系统设计的研究和实验验证，也通过在软件开发环境下测试，我们发现它有下列方面的特点：(1)功能强大,拥有较强的语言结构，设计方式多种多样，具有多层次的设计描述功能和优势； (2)具有强大的硬件描述能力，设计灵便； (3)具有很强的移植能力，符合市场应用价值； (4)设计描述与器件无关，对设计的描述相对独立； (5)程序易于共享和复用，应用前景广泛； (6)具有易读和结构化、支持广泛、易于修改的优势。因为硬件描述语言 VHDL 是一种描述语言，模拟、集成、优化和布线的标准硬件描述语言，所以降低了硬件电路设计的工作量，缩短开发周期。2.3.2 VHDL 的设计步骤采用 VHDL 的系统设计要求，一般有以下 6 个步骤：(1) 按照所要求的功能模块进行划分；(2) VHDL 的设计描述（设计输入） ；(3) 代码模拟仿真（前仿真） ；(4) 设计综合、优化和布局布线；(5) 布局布线后的仿真模拟（后仿真） ；陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 43 页(6) 设计的实现（下载到目标器件） ；3 系统及电路方案选择 3.1 空调技术概述世界空调的发展可分为四个阶段。第一个是后风扇时期，主要特点是功能只限定在制冷和制热，技术不是太成熟；然后是纯空调时期。这个时期最明显标志是：空调成了真正意义的空气调节器。不仅调整空气温度，而且对空气的舒适度也进行调节；随着社会的进步，人们对空调的能耗标准也提出新要求。空调进入到超空调时代，其明显特征是空调不仅仅是空调。还可以满足节能环保的需求；进入 2l 世纪网络信息化时代，家电产品空调器也必然随后