基于FPGA的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于FPGA的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng) 摘要:運(yùn)用傳感器技術(shù),實(shí)時(shí)地對一定環(huán)境中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并通過FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并 顯示。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),通過固化在模塊內(nèi)部的程序,自動(dòng)對外界溫度進(jìn)行采集和控制,并通 過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)測試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,維護(hù)簡便,參數(shù)誤差為0.2%,非常適用于多路及多點(diǎn) 溫度實(shí)時(shí)采集。 關(guān)鍵詞:FPGA 溫度 數(shù)據(jù)采集 中圖分類號(hào): 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-9416(2010)01-0000-00 1 前言 溫度是現(xiàn)代生活及生產(chǎn)中常見的參數(shù),在工業(yè)生產(chǎn)、科研及醫(yī)療等需要嚴(yán)格進(jìn)行溫度控制的行業(yè)中,需要對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理,

2、就需要精度和自動(dòng)化水平高、應(yīng)用范圍廣的溫度采集系統(tǒng)。FPGA器件高速度、高集成、低功耗、體積小,FPGA器件的出現(xiàn)使得數(shù)字電路的設(shè)計(jì)周期和難度都大大減小,在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)采用能適應(yīng)惡劣環(huán)境的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20,采用FPGA芯片作數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)采集及顯示。 2 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示,主要由溫度采集電路、溫度數(shù)據(jù)接收模塊、溫度數(shù)據(jù)處理模塊、溫度顯示模塊、LED電路組成。溫度采集電路中溫度傳感器為數(shù)字溫度傳感器DS18B20,通過傳感器實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境溫度的采集,FPGA將在60個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)將控制信號(hào)傳送至溫度傳感器中,使溫度傳感器

3、將溫度信號(hào)送出。通過FPGA編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)處理采集到的數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)換為BCD碼通過數(shù)碼管顯示出當(dāng)前的溫度。 3 溫度數(shù)據(jù)接收模塊 溫度數(shù)據(jù)接收模塊與DS18B20溫度傳感器直接相連,用來控制DS18B20的操作,并獲取數(shù)字溫度值。本設(shè)計(jì)只用于測量正常環(huán)境溫度,因此知道100以下的溫度即可。在讀取數(shù)據(jù)時(shí),只用取DS18B20傳感器的低12位數(shù)據(jù)。模塊電路原理圖如圖2所示,其中CLK輸入為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)20MHz分頻得到的1MHz同步信號(hào);DS18B20為與傳感器相連接的雙向端口,temp11.0為12位數(shù)字溫度值輸出。Temperature0模塊的功能是向DS18B

4、20輸出控制命令,并將DS18B20測得的數(shù)字溫度信號(hào)輸出。其中,d端口向DS18B20輸出控制信號(hào);cont為三態(tài)門的使能信號(hào),當(dāng)d向dq端口輸出控制命令時(shí),cont=1,而當(dāng)dq向FPGA返回信號(hào)時(shí),cont=0,為高阻態(tài),而dq端口全程記錄DS18B20的狀態(tài),向FPGA返回測量溫度值時(shí),temperature0通過此端口將數(shù)字值存儲(chǔ)輸出。 4 溫度數(shù)據(jù)處理模塊 溫度數(shù)據(jù)處理模塊如圖3所示,為將12位二進(jìn)制溫度信號(hào)數(shù)值轉(zhuǎn)換為3個(gè)用BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)。通過十位(shi3.0)、個(gè)位(ge3.0)和小數(shù)位(fen3.0) 三個(gè)端口輸出。該模塊的作用是將輸入的12位二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換成3

5、組二進(jìn)制BCD碼,每一組BCD碼分別對應(yīng)代表十位,個(gè)位,十分位十進(jìn)制數(shù)。 預(yù)先將0.0至99.9之間的所有溫度值以0.1攝氏度為步進(jìn)都在程序CASE語句中列出,相當(dāng)于預(yù)先在程序中設(shè)置一個(gè)查找表,這樣對于輸入的100攝氏度以內(nèi)的任意溫度值都能找到與之對應(yīng)的BCD碼。由于設(shè)計(jì)中所需要的溫度范圍不大,并且在程序設(shè)計(jì)上相對簡單,且程序在運(yùn)行過程中穩(wěn)定可靠,易于人工對照和查詢。 溫度數(shù)據(jù)處理模塊tempture1的部分VHDL代碼片段如下: case tin(11 downto 4) is when""=>tout(11 downto 4)<="" w

6、hen""=>tout(11 downto 4)<="" end case; 這部分代碼的作用將輸入的12位溫度信號(hào)中的高8位二進(jìn)制整數(shù)部分代碼轉(zhuǎn)換為2組4位BCD碼。如代碼中所示,輸入二進(jìn)制碼為“”,代表十進(jìn)制數(shù)為“25”,輸出BCD碼為“”對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為“2”和“5”。 case tin(3 downto 0) is when"1100"=>tout(3 downto 0)<="0111" when"1101"=>tout(3 downto 0)<=&q

7、uot;1000" end case; 這部分代碼的作用將低4位二進(jìn)制數(shù)小數(shù)部分代碼轉(zhuǎn)換為4位BCD碼。如代碼所示,輸入二進(jìn)制碼為“1101”,代表十進(jìn)制數(shù)小數(shù)為“0.8125”,若只取一位小數(shù)位,則取“8”,其BCD碼即“1000”。 對數(shù)據(jù)處理模塊tempture1進(jìn)行仿真測試。預(yù)設(shè)置輸入溫度二進(jìn)制代碼為“0”,其對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)應(yīng)為“26.8”。 5 溫度顯示模塊 本設(shè)計(jì)中采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示溫度的百位、十位、個(gè)位、十分位。溫度顯示模塊如圖4所示,tempture2模塊其內(nèi)部由片選模塊、譯碼轉(zhuǎn)換模塊和計(jì)數(shù)器模塊組成,其中片選模塊由一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)四選一電路組成。系統(tǒng)工作時(shí)

8、,cout4計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘脈沖控制下依次循環(huán)產(chǎn)生4個(gè)兩位二進(jìn)制數(shù)組,用于控制digit_sel模塊選擇輸出shi3.0,ge3.0,fen3.0,bai3.0四路輸入信號(hào)中的任意一路。位譯碼模塊則依靠二進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的循環(huán)二進(jìn)制數(shù)組,控制seg_dec模塊依次循環(huán)輸出4位二進(jìn)制數(shù)組用于各個(gè)LED數(shù)碼管的點(diǎn)亮。譯碼轉(zhuǎn)換模塊仍然嵌入在seg_dec模塊中,其作用是將digit_sel模塊輸出的4位二進(jìn)制BCD碼轉(zhuǎn)換為8位用于點(diǎn)亮LED數(shù)碼管的二進(jìn)制段顯碼。 圖4 溫度顯示模塊 設(shè)置輸入shi3.0,fen3.0,ge3.0 分別是“0110”,“ 1001”,“ 1000”,則其對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)應(yīng)為“6

9、9.8”,隨著片選信號(hào)的循環(huán)變化,對應(yīng)輸出led也循環(huán)依次輸出Shi、fen、ge、bai四輸入數(shù)據(jù),并且輸出的為8位二進(jìn)制LED數(shù)碼管顯示碼。當(dāng)片選為“0111”時(shí),對應(yīng)輸出led為“”,在數(shù)碼管上顯示即為0,且小數(shù)點(diǎn)不亮;當(dāng)片選為“1011”時(shí),對應(yīng)輸出led為“”,在數(shù)碼管上顯示為6,且小數(shù)點(diǎn)不亮;當(dāng)片選為“1101”時(shí),對應(yīng)輸出led為“”,在數(shù)碼管上顯示即為9,且小數(shù)點(diǎn)不亮;當(dāng)片選為“1110”時(shí),對應(yīng)輸出led為“”,在數(shù)碼管上顯示即為8,且小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮。在動(dòng)態(tài)掃描下,4個(gè)數(shù)碼管上顯示內(nèi)容即為“069.8”,與實(shí)際輸入的數(shù)字相同。 6 結(jié)語 經(jīng)測試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,維護(hù)簡便,參數(shù)誤差為

10、0.2%,設(shè)計(jì)目的已經(jīng)達(dá)到。本設(shè)計(jì)采用FPGA芯片做為數(shù)據(jù)處理控制芯片,雖然從成本上增加,但FPGA的VHDL語言在硬件模塊化構(gòu)建方面具有很大的優(yōu)勢,可以利用其內(nèi)部的門電路最大限度地將硬件電路模塊化處理,極大降低了后期故障查檢的工作量。另外,FPGA器件的處理速度可達(dá)幾百M(fèi)Hz,以及有豐富的可用I/O端口,在實(shí)現(xiàn)多路多點(diǎn)及高速溫度實(shí)時(shí)采集時(shí),優(yōu)勢就凸顯出來了。 參考文獻(xiàn) 1 單慧琳,陳鐘榮,張銀勝.基于CPLD的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.微計(jì)算機(jī)信息,2008,24 (35):210-211,220. 2 宋亞偉,李恒宗.基于DS18B20的溫度采集控制系統(tǒng)J.機(jī)電工程技術(shù),2008,37(09):89-91. 3 穆振海.基于FPGA的智能溫度采集控制器J.微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(20):225-226,243. 4 肖金球,劉傳洋,仲嘉霖.基于FPGA的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J.電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào),2005, 10(06):128-131. 5 楊林楠,李紅剛,張麗蓮.基于FPGA的高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)工程,2007, 33(07):246-248. 6 李健,李正平,徐超.基于FPGA_VHDL