FPGA设计的具有数字显示的水温测控系统

FPGA设计的具有数字显示的水温测控系统FPGA设计的具有数字显示的水温测控系统近年来，电子技术的快速发展，使得计算机广泛用于自动检测和自动控制系统中，以致电压、电流、温度等的监测越来越重要，现在利用数字系统处理模拟信号的情况也越来越多，但数字系统所处理的信号都是不连续的数字信号，而待测的电压、电流、温度等都是模拟量，这就需要将监测到的模拟信号转换成数字信号，最终由系统进行处理。测控技术自古以来就是人类生活和生产的重要组成部分。Actel公司出产的新型FPGAFusion系列解决了数／模转换及上电不可运行等一系列难题。Actel公司宣布推出全新的Fusion融合技术，为解决混合式信号的方案带来真正可编程功能的崭新技术。融合技术率先将混合信号的模拟功能、FLASH内存和FPGA结构集成于单片可编程系统芯片中。融合技术将可编程逻辑的优势带进应用领域中，而这些应用领域直至目前只能采用分立模拟元件和混合信号ASIC供应商提供的器件。与此同时，当融合技术与Actel的ARM7和以8051为基础的软MCU内核共用时，可作为终极的软处理器平台。这项新技术能发挥Actel以FLASH为基础FPGA的独特优势，包括高绝缘性、三井结构和支持高压晶体管的能力，以满足混合信号系统设计的严格要求。

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方案选择

该系统若根据要求可有多种实现方案。

方案一

该方案是传统的一位式模拟控制方案。选用模拟电路，用电位器设定给定值，当反馈的温度值与设定值比较后，决定加热或不回热。但它使系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码显示，不能用键盘设定。

方案二

该方案是传统的二位式模拟控制方案。其基本思想与方案一相同，但由于采用上、下限比较电路，所以控制精度提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法，而使控制精度做得较高，此外仍不能用数码显示和键盘设定

方案三

该方案采用CortexM1FPGA系统来实现。系统硬件用单芯片完成多方面功能，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制，还可实现数码显示和键盘设定等多种功能，系统电路框图如图1所示。

方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较麻烦。方案三是采用以CortexM1为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它能达到模拟控制达不到的控制效果，且可实现显示、键盘设定等多种功能，又易于扩展，大大提高了系统的智能化，也使得系统所测结果精度大大提高。故选择方案三。

2器件介绍

该系统采用的处理器核为32位ARMCortexM1，它是ARM与Actel合作开发，是首个专门针对FPGA应用而设计的ARM处理器。CortexM1处理器的运行速度高达68MHz，可用4353个逻辑单元(Tiles)来实现。CortexM1处理器采用三级流水线结构，其指令集使用了经典的Thumb-2指令集中一个子集，所以无需更改，即可利用现有的Thumb代码。配置的CortexM1处理器可以连接到先进高性能总线(AHB)上，使得设计工程师能够构建自己的子系统，并能轻易增添外设功能。

2.1

数据采集部分

传感器部分既可采用热敏电阻，也可采用集成的温度传感器。由于热敏电阻的精度、重复性、可靠性都比较差，为了配合开发板的需求，在此采用晶体管作为温度传感器。系统温度检测数据采集部分原理如图2所示。

这里温度传感器采用的是晶体管2N3904，它是双极型晶体管，在使用中要按照图2所示，将其集电极与基极连接起来使用。晶体管的温度将会影响PN结上电流与电压的关系，这是Fusion器件能够实现温度监控的理论基础。送到A／D转换器的电压VADC由下面的公式可以得出：

VADC=C[(nkT／q>ln(I／i)]=2.5×10-3×T

式中：n为晶体管的理想系数。设计中，2N3904的n=1.008，近似取1。C为模块中ADC的放大倍数，C=12.5；I，i为模块中用到的两个电流源，I=100μA，i=10μA；k为波尔兹曼常量，k=1.3806×10-23J／K；q为质子的电量，q=1.602×10-19C，正因为采用的q，所以ADC测得温度值单位为开尔文(Kelvin)；T为系统要测量的温度，此处为传感器所测量温度。

2.2

键盘控制和控制电路

因为系统在运行时可以与PC通信，故可直接使用PC机设定上、下限温度值，不需要额外设计键盘电路。但是由于条件有限，对于加热和冷却系统可采用简单的模拟方式实现，通过系统给定信号驱动继电器电路，完成加热和冷却效果，并且在超出范围后进行报警。

2.3

数字显示

该系统采用较先进的液晶显示屏对结果进行显示，形象直观。这里采用的是有机电致发光器件(OrganicLightEmittingDevice，OLED)SSD1303T6。OLED相对于液晶显示器LCD来说，其主要优势在于驱动电压低，功耗小，主动发光，平板超薄，响应速度快，工艺相对简单等。SSD1303是晶门公司采用TAB封装的单色OLED模组。这种基于CMOS工艺的驱动IC集成了行、列驱动器、控制器和SRAM，可支持的最大分辨率为132×64，可以显示4色区域色，并可编程实现256灰度，可实现水平滚动显示。SSD1303提供有6800，8080，SPI等用于与微处理器(MCU)进行通信的显示接口模式。该设计中采用SPI接口进行通信。由于OLED控制芯片中未包含字库，这里自行设计了字库，采用8×8点阵显示，字库设计范例如图3所示，其为字符“C”的字库模型。

该设计中所需字符比较简单，按照需要自行设计了字符“0～9”，“．”，“：”，“T”。由于字库较小，采用数组方式存放数据。如下程序所示。

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系统设计

这里设计的温度测控系统采用Actel公司的SoPC解决方案，它基于嵌入式软核CortexM1核，在性能上CortexM1可满足当前大部分嵌入式产品的设计。该系统的主电路采用Actel公司提供的Fusion系列FPGA，实现温度控制，由于加热和制冷部分条件的限制，只采用模拟方式。电路可实现温度显示，设置上、下限温度，超出范围报警以及与PC机通信的功能。系统测量精度和控制精度均良好。

3.1

硬件设计原理

系统的硬件平台大致可分为以下几个功能模块：模拟输入模块、微处理器及其外围模块、UART模块、时钟产生模块、PWM模块。这些功能模块都由Actel公司提供的知识产权核(IP核)组成。在Coreconsole中，将各个模块配置，通过模块的总线接口与系统总线AHB，APB互联，最终的结果如图4所示。其中，右上角的信号连接为连接到顶层模块的信号。

如图4所示，其中CortexMl为微处理器核，负责处理采集到数据，并产生相应的控制信号给外围控制电路；CoreAHBNvm为控制FLASH的软核，使系统上电即可运行，掉电不丢失；CoreAI为模拟输入模块，负责将外围采集的模拟信号数据转换为数字信号，交由处理器处理；CoreUARTapb为串口通行核，负责将处理的数据通过串口发送给PC，使其能实时交互和控制；CoreGPIO和CoreGPIO_01两个核为通用I／O核，分别负责OLED的数据通信和外围控制信号的输出。

系统的外围温度超过上限报警和加热模拟的电路如图5所示。

3.2软件设计部分

系统主要功能是将系统采集到的模拟信号通过硬件转换成数字信号，将监测到的数据通过UART发送到PC的超级终端加以显示出来；并且可在系统运行初始阶段设置温度的上、下限值，在超出温度范围时报警，且产生相应的控制信号进行加热或者冷却。各个模块的运行由微处理器CortexM1进行协调。系统不断监测模拟输入端，如果模拟输入有变化，就进行A／D转换，并将转换后的结果发送给CortexM1；CortexM1再将接收到的结果在规定时间内通过UART发送到PC的超级终端显示和在系统配接的OLED屏上彩色显示。

该设计的系统应用软件是在Actel公司的SoftConsole开发平台上完成的。由于程序比较复杂，可