1、基于cpldfpga的数字温度表设计课程设计正文学位论文郑州轻工业学院可编程数字系统课程设计 题 目： 基于FPGA的数字温度 计的设计 成 绩： 学生姓名： 专业班级： 学 号： 院 （系）： 电子信息工程学院 指导教师： 完成时间： 年 月 日 基于FPGA的数字温度计的设计摘 要微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，而EDA技术的出现则是给现代工业控制以及日常生活带来了极大的方便，大规模可编程逻辑器件FPGA以成本低、周期短、可靠性高等特点，给设计人员进行产品开发方面带来了诸多方便。本系统设计的数字温度表正是应用FPGA来实现数字温度表的各种相关功能。本文主要介绍采用EDA技术
2、自上而下的设计思路，从硬件和软件两个方面阐述了如何通过FPGA器件实现数字温度表系统功能，有效的克服了传统的数字温度计的缺点。基于FPGA在Quartus II 9.0软件下应用VHDL语言编写程序,采用ALTRA公司Cyclone系列的EP2C5T144芯片进行了计算机仿真，并给出了相应的仿真结果。此系统利用温度传感器AD590采集温度信号，产生的温度信号经过调零、放大处理后，利用A/D转换器ADC0804将模拟信号转换成数字信号，将数字信号送入EPF10K10LC84-4进行处理，最后送入显示电路，由数码管显示温度值。该温度表具有结构简单，抗干扰能力强，功耗小，可靠性高，速度快反应时间短等
3、优点。关键词：数字温度表 CPLDFPGA 温度传感器 A/D转换器1. 前言11背景介绍检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。不仅如此，检测还涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前温度计技术的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。目前的温度计中传
4、感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。温度是一个非常重要的过程量，是工业生产中常见的工艺控制参数之一，它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题，由此可知温度控制是生产自动化的重要任务。大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA，是一种整合性较高的逻辑元件。由于具有高整合性的特点，故利用它进行产品开发，不仅成本低、周期短、可靠性高，而且PCB面积及成本也会大大减少。本文介绍了一个以ALTERA公司可编程逻辑芯片EPF10K10LC8
5、4-4为控制核心、附加一定外围电路组成的数字温度控制系统。介绍了数字温度表系统的组成及工作原理，简述了在EDA平台上用FPGA器件构成该控制系统的设计思想和实现过程。论述了数据采集模块、数据处理模块、BCD译码模块、动态扫描模块等的设计方法与技巧。12 数字测温系统温度的采集与测量被广泛应用在人们的日常生活中。在现今众多的测温系统中,测温元件常常选用热敏电阻、半导体测温二极管以及集成模拟温度传感器等器件,中间环节则由低通滤波、多路转换、信号放大、模数转换等部分组成。由于以上各类温度传感器及其它器件的互换性差,温漂和非线性误差较大,因此,整个测温系统的测量误差也随之增大;同时,由于中间环节较多,
6、系统抗干扰性能也不理想。本文介绍的是一种基于FPGA芯片控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，能够及时检测温度变化以及温度变化，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整。2. 系统描述21可编程逻辑器件FPGA可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是一类半定制的通用性器件，用户可以通过对PLD器件进行编程来实现所需的逻辑功能。与专用集成电路ASIC相比，PLD具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势，因而得到了广泛应用，各项相关技术也迅速发展起来，PLD目前已经成为数字系统设计的
7、重要硬件基础。 PLD从20世纪70年代发展到现在，已经形成了许多类型的产品，其结构、工艺、集成度、速度等方面都在不断完善和提高。随着数字系统规模和复杂度的增长，许多简单PLD产品已经逐渐退出市场，目前使用最广泛的可编程逻辑器件有两类：现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）。 FPGA和CPLD的内部结构稍有不同，FPGA即现场可编程门阵列，其全称为FieldProgrammableGateArray。通常，FPGA中的寄存器资源比较丰富，适合同
8、步时序电路较多的数字系统；CPLD中组合逻辑资源比较丰富，适合组合电路较多的控制应用。在这两类可编程逻辑器件中，CPLD提供的逻辑资源较少，而FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和极高的性能，已经在通信、消费电子、医疗、工业和军事等各应用领域当中占据重要地位。因此，本文主要针对FPGA进行阐述。 FPGA是一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的Xillnx公司，该公司于1985年推出了世界上第一块FPGA芯片。在这二十年的发展过程中，FPGA的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。从最初的1200个可用门，90年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片FP
9、GA芯片，Xilinx、Altera等世界顶级厂商已经将FPGA器件的集成度提高到一个新的水平。FPGA结合了微电子技术、电路技术、EDA技术，使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量。22 FPGA结构原理与特点前生产FPGA的公司主要有Xilinx、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic等，生产的FPGA品种和型号繁多。尽管这些FPGA的具体结构和性能指标各有特色，但它们都有一个共同之处，即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，从而实现不同的设计。 典型的FPGA通常包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入
10、/输出块和可编程互连资源，基本结构如图1所示。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；可编程输入/输出块完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部互连资源包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来，构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。不同厂家或不同型号的FPGA，在可编程逻辑块的内部结构、规模、内部互连的结构等方面经常存在较大的差异。 除了上述构成FPGA基本结构的三种资源以外，随着工艺的进步和应用
11、系统需求的发展，一般在FPGA中还可能包含以下可选资源：存储器资源（块RAM、分布式RAM）；数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟、时钟锁定）；算数运算单元（高速硬件乘法器、乘加器）；多电平标准兼容的I/O接口；高速串行I/O接口；特殊功能模块（以太网MAC等硬IP核）；微处理器（PowerPC405等硬处理器IP核）。下面以Xilinx公司的Spartan-II系列以及Altera公司的Cyclone-II系列FPGA为例，介绍FPGA的一般结构。Xilinx公司的Spartan-II系列FPGA器件的基本结构主要包括5个可配置部分：（1）可配置逻辑块（Configurable Logic
12、 Blocks，CLBs），用于实现大部分逻辑功能；（2）在CLBs的四周分布着可编程的输入输出块（Input/Output Blocks，IOBs），提供封装引脚与内部逻辑之间的连接接口；（3）丰富的多层互连结构的可编程连线（未画出）；（4）片上的随机存取块状RAM（BLOCK RAM）；（5）全数字式延迟锁相环（DLL）时钟控制块，与每个全局时钟输入缓冲器相连，该闭环系统确保时钟边沿到达内部触发器与其到达输入引脚同步，有效地消除时钟分配的延迟。Altera公司FPGA器件Cyclone-II系列的基本结构主要包括：（1）逻辑阵列，由多个逻辑阵列块（Logic Array Blocks，LA
13、Bs）排列而成，用于实现大部分逻辑功能；（2）在芯片四周分布着可编程的输入输出单元（Input/Output Elements，IOEs），提供封装引脚与内部逻辑之间的连接接口；（3）丰富的多层互连结构的可编程连线（未画出）；（4）片上的随机存取块状RAM；（5）锁相环（PLL），用于时钟的锁定与同步、能够实现时钟的倍频和分频；（6）高速的硬件乘法器，有助于实现高性能的DSP功能。23温度传感器AD590的介绍1AD590电流输出型两端温度传感器，AD590是AD公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器（热敏器件）AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流
14、源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中：流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710MW。 5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温
15、度转换为电流,在8051的各种课本中常看到它相当常用到。其规格如下：（1）、温度每增加1,它会增加1A输出电流。（2）、可量测范围-55至150。（3）、供应电压范围+4V至30V。AD590的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准,每增加1,它会增加1A输出电流,因此在室温25时其输出电流Io=(273+25)=298A。Vo的值为Io乘上10K,以室温25而言,输出值为2.98V(10K298A)。量测Vo时,不可分出任何电流,否则量测值会不准。电路分析：AD590的输出电流I=(273+T)A(T为摄氏温度),因此量测的电压V为(273+T)A 10K= (2.
16、73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。由于一般电源供应较多零件之后电源是带杂讯的因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件再利用可变电阻分压, 其输出电压V1需调整至2.73V。24 A/D转换器ADC0804工业生产过程中，被控参数，如液位、速度、温度、流量、压力等都是连续变化的量，称为模拟量，而微型计算机所能识别的数据只能是数字量。所以在把数据送入微型计算机之前，必须把模拟量转换成数字量，也就是我们所说的模数转换（A/D）。信号的输入端可以是传感器，也可以是转换器的输出，最后把经过模数转换的数字信号提供给FPGA器件，以便进行信息处理。模数转换
