全天候温度纪录仪的设计与FPGA实现控温项目方案

1 全天候温度纪录仪的设计与 现控温项目方案 一、 设计相关 计题目 全天候温度纪录仪的设计与 现 题背景 当今电子产品正向功能多元化 ， 体积最小化 ， 功耗最低化的方向发展。它与传统的电子产品在设计上的显著区别是大量使用大规模可编程逻辑器件，使产品的性能提高，体积缩小，功耗降低同时广泛运用现代计算机技术，提高产品的自动化程度和竞争力，缩短研发周期。 发 技术正是为了适应现代电子技术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。基于 言的设计开发更是灵 活多变，容易上手，方便开发人员开发新产品。 时代在发展，人们的物质生活水平在不断提高，新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。一个方便实用的温度计对于大众来说更是生活中不可或缺的一件产品。 2 美国 司的可编程逻辑器件采用全新的结构和先进的技术，加上最新的 发环境，更具有高性能，开发周期短等特点，十分方便进行电子产品的开发和设计 本节将从 入式应用开发技术与温度计发展的客观实 际出发，通过对该技术发展状况的了解，以及课题本身的需要，指出研究基于 芯片系统与设计 全天候温度记录仪的设计与实现的必要性。 计要求 本设计要求设计一个温度计，通过温度传感器（ 期的测量温度数据，同时将数据存储在 ，在需要读取数据温度纪录时，读出温度纪录至板载 1602） 液晶显示器显示。 二、 系统设计 统设计图 图 2统设计图 3 统设计说明 本设计是基于 温度记录仪，整体系统设计如下，首先由 制器驱 动 度传感器对当前温度进行周期性采集，并且对采集到的数据进行处理，然后存入 读存储器，最后利用 晶显示屏进行显示。同时本系统通过向用户提供按键，方便用户读取历史温度记录。 三、 硬件设计 介 片的介绍 现场可编程门阵列 （ 的简称，与之相应的 复杂可编程逻辑器件 （ 的简称，两者 的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件 。 本结构 有可编程门阵列的通用结构，它由逻辑功能块排成阵列，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块来实现不同的设计。 般由 3 种可编程电路和一个用于存放编程数据的静态存储器 3 种可编程电路是：可编程逻辑模块、输入 /输出模块（ 互连资源。可编程逻辑模块 实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则的排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程输入 /输出模块（ 要完成芯片上的逻辑与外部封装脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互连资源包括各种长度的连接线段和一些可编程连接开关，它们将各个 间或 间以及 间连接起来，构成特定功能的电路。 (1) 主要组成部分。 图 3 本结构框图，它主要由逻辑函数发生器、 触发器 、数据选择器等电路组成。 3 个逻辑函数发 4 生器分别是 G、 F 和 H， 相应的输出 是 G、 F 和 H。 G 有 4 个输入变量 2、 F 也有 4 个输入变量 两 个函数发生器是完全独立的，均可以实现 4 输入变量的任意组合逻辑函数。逻辑函数发生器 H 有 3个输入信号；前两个是函数发生器的输出 G 和 F， 而另一个输入信号是来自信号变换电路的输出 个函数发生器能实现 3 输入变量的各种组合函数。这 3 个函数发生器结合起来，可实现多达 9 变量的逻辑函数。 有许多不同规格的数据选择器（四选一、二选一等），通过对 辑函数发生器 G、 F 和 H 的输出可以连接到 出端 X 或 Y，并用来选择触发器的激励输入信号、时钟有效边沿、时钟使能信号以及输出信号。这些数据 选择器的地址控制信号均由编程信息提供，从而实现所需的电路结构。 的逻辑函数发生器 F 和 G 均为查找表结构，其工作原理类似于 和 G 的输入等效于 地址码，通过查找 的地址表可以得到相应的组合逻辑函数输出。另一方面，逻辑函数发生器 F 和 G 还可以作为器件内高速 小的可读写存储器使用，它由信号变换电路控制。 (2) 输入 /输出模块 供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接。它主要由输入触发器、输入缓冲 器和输出触发 /锁存器、输出缓冲器组成。 每个 制一个引脚，它们可被配置为输 入、输出或双向 I/O 功能。当制的引脚被定义为输入时，通过该引脚的输入信号先送入输入缓冲器。缓冲器的输出分成两路：一路可以直接送到 另一路经延时几纳秒（或者不延时）送到输入通路 D 触发器，再送到数据选择器。通过编程给数据选择器不同的控制信息，确定送至 列的 来自输入缓冲器，还是来自触发器。 5 图 3本结构 当 制的引脚被定义为输出时， 列的输出信号 可以有两条传输途径：一条是直接经 至输出缓冲器，另一条是先存入输出通路 送至输出缓冲器 。 出端配有两只 ，它们的栅极均可编程，使 导通或截止，分别经上拉电阻接通 线或者不接通，用以改善输出波形和负载能力。 (3) 可编程互连资源 编程互连资源 以将 部的 间、 间连接起来，构成各种具有复杂功能的系统。 要由许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。 般 设计流程 图 3计流程图 6 晶显示 602 实 物显示： 图 3物图 功能： 用来显示当前的温度值，和显示查询的温度值。 接口信号说明 ： 表 3口信号表 时序图 7 图 3序图 602 指令 1) 0置为 16*2 显示， 5*7 点阵， 8 位数据接口 2) 0明 这里 0C 表示的是开显示，不显示光标，光标不显示，完整描述如下： 指令码： 00001D=1 开显示 D=0 关显示 C=1 显示光标 C=0 不显示光标 B=1 光标闪烁 B=0 光标不闪烁 度传感器 物图 图 3S 18物图 功能 ： 采集当前周围温度信息值。 口引脚信息 表 3口引脚图 序号 名 称 引脚功能描述 1 信号 8 2 据输入 /输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。 3 选择的 脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 读 写操作 图 3操作 写时隙分为写 0和写 1,时序如图，在写数据时间间隙的前 15线需要是被控制器拉置低电平，而后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在15样时间内如果控制器将总线拉高则表示写 1，如果控制器将总线拉低则表示写 0。每一位的发送都应该有一个至少 15低电平起始位随后的数据 0或 1 应该在 45完成。整个位的发送时间应该保持在 60则不能保证通信的正常。 读 操作 图 3操作 9 读时隙时也是必须先由主机产生至少 1低电平，表示读 时间的起始。随后在总线被释放后的 15 发送内部数据位。注意必须要在读间隙开始的 15读数据为才可以保持通信的正确。通信时，字节的读或写是从高位开始的，即 制器释放总线，也相当于将总线置 1。 写模块 线协议简介 线是一种由 司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。 线是由数据线 时钟 成的串行总线，可发送和接收数据。在 被控 间、 间进行双向传送，最高传送速率 100 线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。 开始信号： 高电平时， 高电平向低电平跳变，开始传送数据 ; 结束信号： 高电平时， 低电平向高电平跳变，结束传送数据 ; 应答信号：接收数据的 接收到 8据后，向发送数据的 出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。 受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号， 收 到应答信号后，根据实际 情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。 介 一个 2K 位串行 2部含有 256 个 8 位字节，该器件通过 线接口进行操作。通过器件地址输入端 以实现将最多 8 个 件连接到 线上。 存储容量为 2容分成 32 页，每页 8B，共 256B，操作时有两种寻址方式：芯片寻址和片内子地址寻址。 芯片寻址： 芯片地址为 1010 ， 其 地 址 控 制 字 格 式 为 1010。其中 编程地址选择位。 脚 10 接高、低电平后得到确定的三位编码，与 1010 形成 7 位编码，即为该器件的地址码。 R/W 为芯片读写控制位，该位为 0，表示芯片进行写操作。 片内子地址寻址：芯片寻址可对内部 256B 中的任一个进行读 /写操作，其寻址范围为 00 256 个寻址单位。 对 基本操作有字节写，连续读。操作时序如下： 图 3节写 图 3续读 模块驱动方案： 在主模块里例化 了 3 个子模块，简单说一下各个模块的功能： 串口发送模块：负责将 过 口读取 数据通过串口发送给 样我们就可以通过串口调试助手查看读到的数据与写入的数据是否一致来调试。 制命令产生模块：负责发送控制命令如连续读、随机读、字节写及页写等给 送与接收模块，该模块不与 接打交道。 送与接收模块：根据接收到 制命令产生模块发送的控制命令来操作 模块与 接打交道。 11 按键模块设 计 位键：按下复位键所有模块进入复位状态。 清零。 翻页：查询上一个计数周期的采集值。 翻页：查询下一个计数周期的采集值。 以下是按键和复位电路图 图 3键图 图 3位图 四、 软件设计 I 软件介绍 I 是 持原理图、 及 多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整计流程。 软件界面如图： 12 图 4件界面图 统架构图 图 4统架构图 统控制器 用 主要负责各个模块复位与启动，数据采集与处理以及任务调度等工作。当出 13 现复位信号时，所有模块进入复位状态，但 清零。针对 数据可以采用上翻页和下翻页组合按键，同时按下进行清零。 现方法 （ 1）、做出各模块驱动（部分代码 见代码附录）。 （ 2）、制作计数器 当产生周期性信号时，控制器读取 据，在控制器内部进行处理，将处理完的结果送入 行存储，同时送入 行显示。 当按键信号出现时，分为以下两种。 1、复位信号，上面已经解释，不再赘述； 2、 个出现信号，若没有周期信号，直接读取 据，送入 602 显示；若有周期信号，进行等待，固定等待 1S，重复上述工作 3、当 时按下时，无需判断周期性信号，直接清零。 控制器向 送操作指令，进行温度转换，读写 操作，周期性数据采集使用计数器产生周期性采集信号，具体周期时间暂定为 5 分钟。 统调试 在系统调试时，我们使用的是 司的 V 本系统中用到复位电路、电源电路、 时钟电路 、 载电路、 感器电路、 1602晶显示屏和 储器 等主要电路。 具体的硬件调试过程中，有很多细节时要注意，首先插上 载线，然后打开系统的电源。因为系统的时钟频率直接影响本设计的各个模块的正常运行，所以一定要把时钟选正确。 做好准备工 作以后，系统上电，使用 I 选取 的件，进行编译。编译之后，将综合生成的配置文件使用 载到开发板上。然后进行实物验证： 上电后，各个模块正常工作， 示温度值，五分钟更新一次。按下 各个模块复位，此时 清零， 时按下模块复位和 零。与预期基本相同，符合题目要求 。 五、 代码附录 14 顶层模块 1; 2; 3; 7:07:015:0; 0( 15 ); 1( ); 7:07:07:02( ); 动部分代码 ; 7:07:0 20:0; 10:0; ; 16 if(25000) 始 /+ / / 分频器 50束 /+ / 延时模块 开始 /+ 19:0 / 1时计数子 / 请 1时计数子 (= 0; = 1+ / 态机 开始 /+ / 格雷码 00 = 50 = 51 = 52 = 53 = 54 = 55 = 56 = 57 = 5= 5= 5 5 5 = 5 = 5 = 5 = 54:0 / 状态寄存器 / 线 缓存寄存器 15:0 / 采集到的温度值缓存器（未处理） 5:0 / 子状态寄存器 050 3:0 / 有效位 (!= 1= 0; 19 = = 16 = 0 : / 初始化 = 1; = 0; = 1 : = 0; = 500) / 延时 500us = 1; = 1 / 释放总线 = 2 : = 0; = 100) / 等待 100us = 1; = 3 : / 若 18低总线 ,初始化成功 = / 否则 ,初始化不成功 ,返回 S0 = = 0; = 400) / 再延时 400us = 1; = / 写数据