毕业设计（论文）-基于FPGA的热疗仪温度控制系统设计.doc

摘 要 随着科技的发展，医疗设备也在不断的更新，更好的为人们的健康保驾护航，热疗设备也是现在医疗临床上使用比较多的。肿瘤热疗采用加热方法治疗肿瘤，精确而言，这种治疗方法是利用各种物理能量（如微波、射频和超声波等）在人体组织中沉积所产生的热效应，使组织温度上升至有效治疗温度区域（41以上），并维持一定时间以达到既杀灭病变细胞又不损伤正常组织目的的一种治疗方法。 实验表明，在42区域，温度差1就可引起细胞存活率的成倍变化，因此，热疗中的温度测量有着十分重要的意思。 常用的温度传感器，如热敏电阻等模拟类的器件，存在非线性以及参数不一致，在更换器件时因放大器零漂问题而需对电路重新调试等问题。而对于温度场的控制方法，多采用以CPU或者单片机为核心的控制系统，这些以软件方式控制操作和运算的系统速度显然无法与纯硬件系统相比且可靠性不高。 针对以上两个问题，要求采用高精度数字温度传感器DS18B20与可编程逻辑器件FPGA实现温度的测量与控制。DS18B20是由单片集成电路构成的单信号数字化温度传感器，突出优点是可以将被测温度直接转化为数字信号输出。经电桥电路获取电压模拟量，再经信号放大和模数转换变成数字信号，避免了传统传感器互换性差等问题。尤其在多点温度检测的场合，在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面，DS18B20与传统温度传感器相比，有无可比拟的优越性。采用FPGA作为控制器，由于它是以纯硬件实现控制的，因此适应了温度场高可靠性的要求。另外，还可以使系统的器件数目大大减少，具有设计灵活、现场可编程、调试简单和体积小等特点。 关键词：热疗; 数字温度传感器;FPGAABSTRACTWith the development of science and technology, medical equipment are constantly updated. Hyperthermia equipment is now widely used in medical clinical, which makes great contribution to peoples health. Heating method for hyperthermia treatment of cancer, precisely, is a treatment using a variety of physical energy (such as microwave, radio frequency and ultrasonic thermal effects) deposited in body tissues, the tissue temperature to rise to the effective treatment temperature region (41 C), and to maintain a certain period of time in order to kill diseased cells without damaging normal tissue.The experiments show that in the region of 42 , the temperature difference of 1 can cause the multiplied changes in cell survival. Therefore, the temperature measurement in hyperthermia is very important. Commonly used temperature sensors,such as the thermistor, has many disadvantaged: inconsistent nonlinear and the parameters, necessity to re-circuit debugging in the replacement of devices due to the amplifier zero drift and so on. Whats worse, for the control of the temperature field, Analog type devices adopt the CPU or micro-controller as the core control system, software-controlled operation. However, the speed of the operation system apparently can not be compared with the pure hardware system and also it has low reliability. The two problems above require the use of high-precision digital temperature sensor DS18B20 and programmable logic device FPGA to realize measurement and control of temperature. DS18B20 is a signal digital temperature sensor made up of single monolithic integrated circuits. It has the advantage of making the measured temperature directly into a digital signal output. As it obtains voltage analog through bridge circuit and then amplifies signal and converts analog-digital into a digital signal, DS18B20 avoids the traditional poor sensor interchangeability. Compared with conventional temperature sensor, DS18B20 has incomparable superiority, especially in multi-point temperature measurement occasions and in aspects of various error solution, reliability, and system optimization. Because DS18B20 is controlled by pure hardware, it meets the requirements of the temperature field of high reliability. In addition, it can greatly reduce the number of devices, and it has many characteristics, such as, flexible design, field programmable, easy debugging, and a small size.Key words：hyperthermia;temperature sensor;FPGA-iii-目 录第一章 绪 论11.1 热疗的生物学方面11.2 热疗的生物技术方面11.2.1 加热技术11.2.2 测温技术3第二章 射频热疗系统设计4第三章 系统硬件电路设计53.1 硬件整体结构53.2 高精度数字温度传感器DS18B2053.2.1 DS18B20的总体特点53.2.2 DS18B20的内部结构63.2.3 硬件配置73.2.4 命令序列83.2.5 DS18B20的信号方式83.2.6 程序设计流程113.3 ACEX 1K系列的FPGA器件的特点133.4 ACEX 1K器件的配置电路设计143.5 电源电路163.6 驱动电路设计16第四章 软件实现204.1 系统软件设计电路图204.2 温度测量模块204.3 指定温度设置模块224.4 控制算法的选择及设计254.4.1 模糊控制254.4.2 射频热疗模糊控制器的设计264.5 信号的调制354.6 温度显示模块354.7 分频模块36第五章 温度场测量与控制的实验375.1 实验材料及方法375.2 实验结果375.2.1 用一维模糊控制器做算法的试验结果375.2.2 用二维模糊控制器做算法的试验结果385.3 试验结果分析39第六章 结论40参考文献41致谢42附录A 电路原理图43附录B 源程序44 第一章 绪 论近20年来，热疗的研究已脱离了历史上临床的纯经验性探索，临床热疗研究与现代生物、物理工程的研究密切合作，是热疗研究得到飞速发展。目前热疗生物学的研究已从人体和实验动物水平进入细胞和分子的研究，其结果已为肿瘤临床热疗奠定了可靠的生物学基础；同时，许多优秀的物理学家、工程学家；利用现代高新技术对临床肿瘤的加热方法和技术、测温方法和技术进行了大量的研究，并取得了可观的成绩，为临床治疗各部位肿瘤提供了各种加热技术和装置。1.1 热疗的生物学方面实验证明，加热对细胞有直接的细胞毒性作用，组织受热升温至41-45（有效温度范围），并维持数分钟以上，可以杀灭哺乳动物的肿瘤细胞。这一结论已在临床肿瘤热疗中得到证实，并已成为临床肿瘤治疗的一项最基本的生物学量化依据。热的细胞毒性作用、肿瘤组织血管、微环境结构特点和肿瘤的生理环境因素为肿瘤热疗奠定了基础的生物学基础。1.2 热疗的生物技术方面1.2.1 加热技术现代肿瘤热疗生物学的发展已为指导热疗临床实践奠定了基本的生物学基础。当前影响肿瘤热疗取得高疗效的诸因素中，最为关键的当属肿瘤热疗的加热技术。要进一步推广热疗并取得可靠疗效，就必须对加热技术的“理想”要求、现状、难点和改进的方向有清晰的了解。1 理想的加热效果 理想的加热效果应该做到：(1)能精确把100%的肿瘤组织加热到有效治疗温度范围，并维持一定时间，以使癌细胞收到毁灭性的杀伤与打击。(2)要避免靶区外正常组织的加热损伤。2主要加热技术加温过程可视为组织吸收外加物理能量，使之转化为热能而升温的物理现象。热疗中常用的物理能量有微波（MW）、射频(RF)、超声波(US)等。(1)微波加热通常把频率从300MHZ到30GHZ的电磁波统称为微波，微波加热只要使用超高频段。从人体热疗来看，微波热疗低频端可达到甚高频的100MHZ，高频端则可达到3000MHZ。微波加热原理是，当人体组织处于高频电场时，可以形成较多数目的电极性分子，在微波或高频电磁场作用下，组织中的带电离子或偶极子迅速振动或转动，不断克服周围组织阻力而做功产生热量。 优点：非侵袭局部加热；无脂肪层过热；热场分布大体上由辐射器形状、 尺寸所决定；加热效率较好；易于加热浅表肿瘤；加热装置与射频相比体积较小。 缺点：在肌肉组织中的衰减较大而难达深部加热；频率较低时，在脂肪-肌肉界面产生反射可能引起过热点；需按频率配置辐射器形状；波导型外辐射器热场不均匀，有效加热面积小于开口的40%；组织内加热范围更窄；对含金属引线的测温探头有干扰；须注意微波防护，操作须加屏蔽室。 应用范围：外辐射器用于体表部位的浅表肿瘤；腔内加热用于食道、宫颈、直肠、前列腺等；组织间可用于脑等部位。(2)射频加热“射频”在热疗中指频率在100MHZ以下的电磁波，主要在高频（HF）段。在高频HF段的加热方法中，有容性加热和感应加热两种。容性加热将人体被加热组织置于一对或多个电容极板之间，在各电极间加上射频RF电压，或将多对线状电极插入人体组织中并加以RF电压。感应加热在人体外近表面处放置感应线圈，并通过射频RF电流，使该RF电流所产生的涡流磁场在人体内感应出涡电流从而发热，为加强体内感应涡流，还常在体内欲加热部位采用组织间植入金属导体或铁磁体。射频容性加热方法已广泛使用，可用于波脂肪层的深部或浅表肿瘤热疗。射频加温机制既有生物组织中离子传导电流所产生焦耳热的因素也有生物组织在高频电磁场中因电损耗而产热的作用。 优点：设备相对简单；无须使用屏蔽室；可加热较大体积；用冷却水袋可加热深部。 缺点：无冷却水时脂肪极易过热疼痛；电场分布不宜均匀控制；只用于脂肪薄的部位 应用范围：大的浅肿瘤；深部肿瘤，如下腹、盆腔、胸部和四肢；组织间可用于大块肿瘤，如颈、肝、乳腺、宫等部位。（3）超声加热超声波是一种物质的机械振动，即物质的质点在平衡位置进行往返运动。用于加热治疗肿瘤的超声频率为0.5-5MHZ，一般常用的超声频率为1MHZ。超声能量对人体组织的作用主要是热效应，超声波作用于组织细胞、分子和原子团等所产生的高频振动能量的大部分转化内部热能而产生升温。 优点:脂肪不过热；穿透、指向及聚焦性能好；测温容易；可加热浅表及深部；无须屏蔽。 缺点：不能穿透含气空腔；会产生骨疼痛。 应用范围：浅表及深部肿瘤；体外加热、腔内加热和组织间加热。1.2.2 测温技术肿瘤是否能得到满意的加热，需要由测温技术来监测和评价，因而测温技术是决定疗效好坏的另一个关键技术。无损测温近年虽取得较大发展，但就目前绝大多数临床治疗来看，可以预言数年内有损测温仍是应用的主流。由于热疗处在强电磁场或强超声波场条件下工作，因此对其温度测量有一定的性能要求及影响。用于热疗的测温装置，按测温探头所用的引线可分为：金属导线、高阻抗导线和光导纤维等。其中带金属导线的热电偶、热敏电阻类温度传感器易受电磁波的干扰，因而开发了高阻导线和光导纤维测温探头，但光纤温度传感器高昂的价格限制了它的应用。临床有损测温的一个重要问题是测温干扰，人们对这个问题已经进行了充分的研究，当使用电磁波加热时，应计量使用直径较细的无干扰测温探头和多点测温探头，以保证热疗时测温的准确性，并尽可能多的取得受热组织的温度信息。临床有损测温的另一个重要问题是热疗时测温点的布局，即数目、位置和测温探头的置入方向等，这些应当严格按照想要的质量保证规范进行。第二章 射频热疗系统设计根据脑胶质瘤的生物组织特点，选用射频信号作为加热的物理能量，并采用二极板容性加热方式。系统框图如下图所示。射频信号的频率为 0.5MHz，经过 500Hz 占空比可调的调制信号调制后输出控制信号。FPGA 作为控制器件控制加温的全过程，设定温度通过控制面板向FPGA 输入，DS18B20对温度场进行温度测量，并且将实时数字测量值送回FPGA。FPGA 将测量值与设定值进行比较，经过控制算法的处理后，确定调制信号的占空比。控制信号经过隔离电路与驱动电路，加到工作极板上。极板间介质的加热功率可通过调整500Hz 调制信号的占空比来控制。温度显示FPGA驱动电路隔离电路 病灶控制面板温度测量DS18B20图2-1 热疗系统整体框图设计的热疗仪的技术参数如下： 功率电源电压56V ； 热疗工作频率0.5MHz； 温度测量范围0-63，测控温精度0.1。 第三章 系统硬件电路设计3.1 硬件整体结构硬件电路主要包括FPGA 及其配置电路、电源电路、光耦隔离电路、驱动电路、控制面板和显示单元组成，框图如下图所示。 光耦隔离电路数码管显示JTAG接口EPC2芯片驱动电路 FPGA EP1K30TC144-356V电源和负载接口20MHz石英晶振5V电源DC-DC变换器电路DS18B20接口电源电路按钮指拨开关 图3-1 硬件整体结构框图本设计使用的FPGA 芯片是Altera 公司ACEX 1K 系列的EP1K30TC144-3，并采用了Altera 提供的专用配置芯片EPC2对其进行数据配置；外部20MHz的石英晶振为FPGA提供时钟信号；ACEX 1K 所需的2.5V 和3.3电压由外部5V电源通过电源电路获得；控制面板由指拨开关和按钮构成，指拨开关用来控制数码管的显示，按钮用来向FPGA输入设定温度；为避免驱动电路对控制电路的干扰，采用1MHz 的高速光耦6N137进行隔离，控制对象的加热功率由驱动电路中的56V 电源提供。3.2 高精度数字温度传感器DS18B203.2.1 DS18B20的总体特点1.1、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。 1.2、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。 1.3、 DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 1.4、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。 1.5、温度范围55+125，在-10+85时精度为0.5。 1.6、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。 1.7、在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。 1.8、测量结果直接输出数字温度信号，以一 线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 1.9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。3.2.2 DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。 图3-2 DS18B20内部结构框图DS18B20加电后，处在空闲状态。要启动温度测量和模拟到数字的转换，处理器需发出Convert T44h命令；转换完成后，DS18B20回到空闲状态。温度数据是以带符号位的16-bit补码存储在温度寄存器中的，如图3-3所示。符号位说明温度是正值还是负值，正值时S=0，负值时S=1。表3-1给出了一些数字输出数据和对应的温度值的例子。 bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0LS Byte23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 bit 15 bit 14 bit13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8MS ByteSSSSS26 25 24 图3-3 温度寄存器格式表33-1 温度/数据的关系温度数字量输出（二进制）数字量输出（十六进制）+125 0000 0111 1101 0000 07D0h+85 0000 0101 0101 0000 0550h+20.0625 0000 0001 1001 0001 0191h+10.125 0000 0000 1010 0010 00A2h+0.5 0000 0000 0000 1000 0008h0 0000 0000 0000 0000 0000h0.5 1111 1111 1111 1000 FFF8h-10.125 1111 1111 0101 1110 FF5Eh-20.0625 1111 1110 0110 1111 FE6Fh-55 1111 1100 1001 0000 FC90h3.2.3 硬件配置设备通过一个漏极开路或三态端口连接至单总线，这样设备在不发送数据时可以释放数据总线，以便总线被其他设备所用。DS18B20的单总线端口为漏极开路，内部等效电路图如下所示：单总线需接一个5K的外部上拉电阻，因此DS18B20的闲置状态为高电平。如果传输过程需要暂时挂起，且需求传输过程还能继续的话，则总线必须处于空闲状态。传输的恢复时间没有限制。如果总线保持低电平时间超过480us以上，总线上所有的器件将复位。 图3-4 DS18B20内部等效电路图3.2.4 命令序列访问DS18B20必须严格遵守以下命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机。1.初始化DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始，包括主机发出的复位脉冲和由DS18B20发出的应答脉冲。当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。2ROM命令ROM命令通过每个64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件与之进行通信。DS18B20的ROM命令见表3-2，每个ROM命令都是8-bit。3.功能命令主机通过功能命令对DS18B20进行读/写或者启动温度转换，功能命令见表3-3。3.2.5 DS18B20的信号方式DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。除了应答脉冲，其他信号都由主机发出同步信号。总线上传输的所有数据和命令都以字节的低位在前。1.初始化序列在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480us，以产生复位脉冲（Tx），然后主机释放总线并进入接收（Rx）模式。当总线被释放后，5K的上拉电阻将单总线拉高。DS18B20检测到这个上升沿后，延时15-60us，通过拉低总线60-240us产生应答脉冲。如图3-5所示。表3-2 DS18B20 ROM命令 命令 描述 协议此命令发出后1-Wire总线上的活动SEARCH ROM识别总线上DS18B20的ROM码 F0h所有DS18B20向主机传送ROM码 READ ROM当只有一个DS18B20挂在总线上时，可用此命令读取ROM码 33hDS18B20向主机传送ROM码MATCH ROM主机用ROM码指定某一DS18B20，只有匹配的DS18B20才会相应 55h主机向总线传送一个ROM码SKIP ROM用于指定总线上所有的器件 CCh无ALARM SEARCH温度超出警报线的DS18B20相应 EChDS18B20向主机传送ROM码2.读/写时隙在写时隙期间，主机向DS18B20写入数据；在读时隙期间，之际读入来自DS18B20的数据。在每一个时隙，总线只能传输一位数据。读/写时隙如图3-6。表3-3 DS18B20功能命令命令 描述协议此命令发出后1-Wire总线上的活动 温度转换命令Convert T开始温度转换44hDS18B20向主机传送转换状态 存储命令Read Scratchpad读暂存器完整的数据BEhDS18B20向主机传送9字节的数据Write Scratchpad写入数据4Eh主机向DS18B20传送3个字节的数据Copy Scratchpad将Th、Tl和精度复制到EEPROM48h 无Recall E 将Th、Tl和配置寄存器的数据从EEPROM中调到暂存器中B8hDS18B20向主机传送调用状态Read Power Supply向主机示意电源供电状态B4hDS18B20向主机传送供电状态图3-5 初始化脉冲 图3-6 DS18B20读/写时隙图（1）写时隙存在两种写时隙：“写1”和“写0”。主机在写1时隙时向DS18B20写入逻辑1，而在写0时隙时向DS18B20写入逻辑0.所有写时隙至少需要60us，且在两次写时隙之间至少需要1us的恢复时间。两种写时隙均以主机拉低总线开始。 产生写1时隙：主机拉低总线后，必须在15us内释放总线，然后由上拉电阻将总线拉至高电平。 产生写0时隙：主机拉低总线后，必须在整个时隙期间保持低电平（至少60us）在写时隙开始后的15-60us期间，DS18B20采样总线的状态，如果总线为高电平，则逻辑1被写入DS18B20；如果总线为低电平，在逻辑0被写入DS18B20。（2）读时隙DS18B20只能在主机发出读时隙时向主机传送数据，所以主机在发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便DS18B20能够传送数据。所有读时隙至少60us，且在两次独立的读时隙之间至少需要1us的恢复时间。每次读时隙由主机发起，拉低总线至少1us之后，DS18B20开始在总线上传送1或0,。若DS18B20发送1，则保持总线为高电平；若发送0，则拉低总线。当传送0时，DS18B20在该时隙结束时释放总线。DS18B20发出的数据在读时隙下降沿起始后的15us内生效，因此主机必须在读时隙开始后的15us内释放总线，并且采样总线状态。3.2.6 程序设计流程使用DS18B20进行温度测量的程序设计流程图如图3-7。初始化DS18B20发SERCH POM命令读在线DS18B20序列号存在下一个DS18B20YN初始化DS18B20发SKIP ROM命令指定所有在线DS18B20Convert T命令启动温度/数字转换初始化DS18B20发MATCH ROM命令指定一个DS18B2发一个DS18B20序列号发READ SCRATCHPAD命令读匹配的DS18B20温度数N在线所有DS18B20访问完Y图3-7 使用DS18B20进行温度测量的程序设计流程图3.3 ACEX 1K系列的FPGA器件的特点本设计使用的芯片是Altera公司ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3。ACEX 1K是2000年推出的2.5V低价格SRAM工艺FPGA。1.ACEX 1K器件的特点ACEX 1K综合了查找表结构与EABs。其中，基于LUT的逻辑功能优化了数据通道和寄存器的性能与效率，而EAB则能实现RAM、ROM、双口RAM、FIFO等各种存储器功能。ACEX 1K较适合于需要复杂的逻辑功能和存储器功能的应用场合，如DSP(数字信号处理)、宽带数据通道控制以及数据传输、微处理器与通信领域等。 ACEX系列包含ACEX 1K和ACEX 2K系列。ACEX 1K系列基于创新的0.22/0.18 m混合工艺，密度为10 000100 000门。ACEX 2K系列基于0.18 m工艺，密度为20 000150 000门。所有的ACEX系列器件兼容PCI局部总线规范，支持锁相环电路。ACEX具有较高性价比，它的高密度非常适用于对价格敏感的高密度解决方案，而其高性能则可以满足各种性能的需求。ACEX 1K可用MAX+plus作为开发工具。2.ACEX 1K功能描述每个ACEX 1K器件包含了一个实现存储及特殊逻辑功能的增强型嵌入式阵列和一个实现一般逻辑的逻辑阵列。 嵌入式阵列由一系列EAB组成，当实现存储功能时，每个EAB提供4096位；当实现逻辑功能时，每一个EAB可以提供100-600个门。EAB可以独立使用，也可以多个EAB结合起来实现更强的功能。 逻辑阵列由逻辑列块组成。每个LAB包含8个逻辑单元和一个局部互联。一个LE由一个4输入LUT、一个可编程触发器和为实现进位及级联功能的专用信号路径组成。8个LE可实现中规模的逻辑块，如八位计数器、地址解码器和状态机，也可以跨LAB进行结合以实现更大的逻辑块。每一个LAB代表大概96个可用逻辑门。 ACEX 1K器件内部的信号连接时通过快速通道互连布线结构实现的，快速通道是遍布整个器件长、宽的一系列快速、连续的水平和垂直的通道。 每一个I/O引脚由I/O单元驱动。IOE位于快速通道互联结构的行和列的末端，每个IOE包含一个双向I/O缓冲器和一个可驱动输入信号、输出信号或双向信号的输出寄存器或输入寄存器。IOE还具有许多特性，如JTAG编程支持、摆率控制、三态缓冲和漏极开路输出。ACEX 1K器件的结构如图3-8所示。从图中可以看出，一组LE构成LAB，LAB是排列成行和列的，每一行包含了一个EAB。LAB和EAB是由快速通道连接的，IOE位于快速通道连线的行和列的两端。 图3-8 ACEX 1K器件的结构3.4 ACEX 1K器件的配置电路设计本设计中，采用了Altera公司提供的专用配置器件EPC2对EP1K30TC144-3进行配置。1.EPC2专用配置芯片的引脚及功能说明EPC2 配置芯片属于闪存器件，具有可擦写功能。EPC2 芯片的容量是1.6Mb，工作电压5.0V或3.3V。根据器件的容量决定配置芯片的数目，对于EP1K30TC144-3器件来说，只需要一个EPC2 即可。EPC2 本身的编程由JTAG接口完成，使用ByteBlasterMV 下载对EPC2 进行ISP方式下载。EPC2 引脚如图3-9所示，各引脚功能说明如下：（1）VCC是电源引脚。（2）GND是接地引脚。（3）VPP是编程电源引脚，一般与VCC相连。（4）VCCSEL是VCC电源模式选择输入端口。如果配置器件使用5.0V电源时，VCCSEL必须接地；对于EPC2 3.3V的电源来说，VCCSEL必须与VCC连接。（5）VPPSEL是VPP电源选择模式输入引脚。如果VPP使用5.0V电源，那么VPPSEL必须接地；如果VPP使用3.3V电源电压，则必须连接VCC。图3-9 EPC2 引脚PLCC分装输出引脚框图（6）DATA是串行数据输出引脚。EPC2将配置数据存放在EPROM中，并按照内部晶振产生的时钟频率将数据按串行的比特流由DATA引脚输出。（7）OE是使能和复位信号输出引脚；nCS是芯片选择输入引脚；DCLK为时钟输出引脚。EPC2 的控制信号直接与ACEX器件的控制信号连接。EPC2 的OE和nCS引脚控制DATA输出引脚的三态缓冲器并使能地址计数器。当OE为低电平时，EPC2复位地址寄存器，DATA引脚为高阻状态。NCS引脚控制EPC2的输出。如果在OE复位脉冲之后，nCS始终保持低电平，计数器将被禁止，DATA引脚为高阻态。当nCS置低电平后，地址计数器和DATA输出均使能。OE再次置低电平时，不管nCS处于何种状态，地址计数器都将复位，DATA引脚置为高阻态。（8）EPC2允许使用额外的一个引脚nINIT_CONF对ACEX初始化，这个引脚与ACEX的nCONFIG引脚相连。JTAG指令使EPC2将nINIT_CONF置低电平，接着nCONFIG置低电平，然后EPC2将nINIT_CONF置高电平并开始配置。当JTAG状态机退出这个状态时，nINIT_CONF放弃对nCONFIG的控制，配置过程开始初始化。（9）nCASC是级连选择输出引脚。当EPC2输出所有数据后，将nCASC置为低电平，DATA置为高阻态，以避免与其他配置器件的干扰。（10）TDI、TDO、TMS和TCK为与JTAG端口的连接引脚。2.EPC2配置ACEX 1K第电路原理图EPC2配置ACEX 1K的电路原理图如图3-10。图3-10 EPC2配置ACEX 1K的电路原理图（1） 上拉电阻必须与EPC2连接到相同的电源电压，此处为3.3V。（2） AECX 1K器件的MSEL0和MESL1引脚用来选择配置模式。因此使用的是JTAG模式，所以MSEL0=0，MSEL1=1.（3） 所有的上拉电阻都是为1K。（4） nINIT_CONF引脚的内部上拉电阻对EPC2总有效，因此nINIT_CONF引脚不需外部上拉电阻。3.5 电源电路EP1K30TC144-3芯片所需的2.5V和3.3V电源电压由外部的5V电压经过电源电路获得，电源电路如图3-11所示。图3-11 电源电路原理图3.6 驱动电路设计驱动电路采用如图3-12所示的双极N型H桥电路驱动。其中，NMOS管采用IRF640;M1和M2通过电极接负载；当G1和G4导通时，G2和G3截止，电流通过负载从G1流向G4;当G2和G3导通时，G1和G4截止，电流通过负载从G2流向G3；为了避免栅极会出现超过Ugs(max)额定值的电压暂态，晶体管栅极和源极间加一个12V的稳压二极管。图3-12 双极N型H桥驱动电路驱动电路需采用3组电源，其中晶体管G1和G2各用一组电源，G3和G4共用一组电源。这三组电源由三组DC-DC变换器（如图3-13所示）得到各个浮地电源5V（VCC1、VCC2、VCC3）和10V(VCC10、VCC20和VCC30)。图3-13 DC-DC变换器电路NMOS管栅极的驱动电路如图3-14所示。图3-14 NMOS管栅极的驱动电路该驱动电路存在问题是驱动电路的频率达不到500KHZ，在MOS管前一级晶体管的基极，500KHZ信号被滤波掉，只剩500HZ的调制信号。分析其原因，是由于在高频场合在驱动MOS时，寄生输入电容式衣柜很重要的参数，它一定会被驱动电路进行充、放电而影响到开关功能。驱动源的阻抗严重影响到MOS晶体管的开关速度，更低的驱动电源阻抗会有更高的开关速度。因此，将MOS管栅极驱动电路进行修改，修改后的栅极驱动电路如图3-15所示。图3-15 修改后的NMOS管栅极驱动电路图3-16和图3-17分别为图3-15所示的NMOS栅极驱动电路在频率为500Hz和500kHz下的驱动波形。 图3-16 NMOS栅极输入波形（500Hz） 图3-17 NMOS栅极输入波形（500kHz） 第四章 软件实现全部软件功能在Quartus II 软件平台上使用混合编辑方法设计。功能框图如图4-1所示。指定温度通过外部的两个按钮式按键输入，在FPGA 内部对这两个按键进行了弹跳消除处理，因此完全可以用来计数。指拨电平开关Set 用来对温度设置进行控制，而Show_set 是温度显示选择开关。系统时钟由外部20MHz 的石英晶振提供，经过分频处理得到500Khz 占空比为50%的射频信号和500Hz 占空比在040%可调的调制信号，同时为DS18B20 提供同步信号。指定温度和经DS18B20 测量得到的实际温度经过处理转换成4 位十进制以后，通过数码管显示其数值。根据指定温度和实际温度，由控制算法得到相应占空比的两路带死区的互补调制信号。射频信号经调制信号调制后，经过光耦隔离电路和驱动电路，最后加到工作电容上。数码管显示接至驱动电路信号调制500kHz 50%占空比的方波20分频测温程序FallRiseDS18B20由控制算法得到相应占空比的500Hz方波按键弹跳消除电路外部控制信号温度设置程序Set温度显示Show_set图4-1 软件功能框图4.1 系统软件设计电路图系统软件设计电路图如图4-2所示（见附录1）， FPGA 的软件实现应包含以下模块：分频模块、温度测量模块、指定温度设置模块、模糊控制器子模块和温度显示模块。4.2 温度测量模块温度测量模块是与DS18B20 的接口，用来控制DS18B20 的操作，并获取数字温度值。本设计只涉及45以下的温度，取DS18B20的低十位数据即可。此模块的电路符号如图4-3所示，其中，clk-1MHz是由系统时钟信号20MHz分频得到的1MHz的同步信号；dq是与DS18B20的双向接口。Temp9.0是十位的数字温度值输出。顶层电路如图4-4所示，Temperature子模块的功能是向DS18B20输出控制命令，并将DS18B20测得的数字温度至输出。其中，d端口用来向DS18B20输出控制信号；cont为三态门的使能信号，当d向dq输出控制信令时，cont=1使能，而当dq向FPGA返回信号时，cont=0，为高阻态；而dq端口全程记录DS18B20的状态，向FPGA返回测温值时，Temperature通过此端口将数字值存储输出。temperature_top clk_1MHztemp9.0dq inst7图 4-3 温度测量模块图 4-4 温度测量模块电路图本程序根据DS18B20的通信协议采用的时隙数据如图4-5所示。输入的时钟频率为1MHz，即周期为1us。将完成一位传输的时间称为一个时隙，那么一个时隙就是70us。使用两个计数器num和count，num为时钟计数，即1us计一个数，70个数为一个循环；count为时隙计数，一次温度转换盒输出为一个循环。本程序只对DS18B20进行控制，所以不仅可以简化程序，还可以缩短一次温度转换所需的时间。一次温度转换盒数字温度值输出循环所涉及到的控制命令、数据交换和所需时隙如图4-6所示。因为在发出Read Scratchpad功能命令后，DS18B20向主机传送数据的时候，主机可以在任何时间中断数据的传送，而仅需要存在Scratchpad第0和1字节的温度数据，更具体地说只需要低十位温度数据，所以在DS18B20传送完这十位数据后，主机即向其发出reset命令，开始新一轮的循环，从而中断上一循环。Write 1Write 0ReadReset64us6us56us4us60us10us主机采样 0us490us70us420us 主机 上拉电阻 从机DS18B20图4-5 DS18B20测温程序时隙数据图Present pluse 490us7个时隙传送温度数据10个时隙Skip ROM CCh8个时隙Reset pluse 490us7个时隙Convet T 44h8个时隙Skip ROM CCh8个时隙Reset pluse 490us7个时隙ReadScratchpad BEh490us7个时隙Present pluse 490us7个时隙图4-6 一次温度转换的控制命令和时隙温度测量子模块的VHDL代码见附录2。4.3 指定温度设置模块指定温度设置模块的电路符号如图4-7所示，顶层电路如图4-8所示。其中，specified-temp为温度设置子模块；debounce是二是按键弹跳消除子模块。sepcified_temp9.0sepcified_temp_topclk100risedownset inst2图4-7 指定温度设置模块图4-8 指定温度设置模块电路图4.3.1 温度设置子模块因为本设计有效的温度范围是30-45，所以设定的最低温度为30，最高温度为45，也即温度设置范围是30-45。为了与测量温度一致，设定温度也用十位二进制数来表示：低四位为小数部分，高六位为整数部分，起始设置温度为”0111100000”,即30。通过面板上的两个单脉冲按钮盒一个选择位开关来设定温度。Rise用来增加温度，down用来减小温度，每按一次都市增加或减小一个二进制数。Set用来选择设定的温度是整数还是小数部分，当set=1时，设置整数部分；set=0时，设置小数部分。程序流程图如图4-9所示。温度设置子模块的VHDL代码见附录2。fall上身沿到来Rise上身沿到来num=0?Ynum=15?YYnum_fall=num_fallnum_rise=num_riseNNnum_fall=num_fall+1num_r