基于FPGA的自動(dòng)采集控制系統(tǒng)

李怡琳，肖順文，易歡，楊盢

（西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，四川南充637009）

基于FPGA的自動(dòng)采集控制系統(tǒng)

李怡琳，肖順文，易歡，楊盢

（西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，四川南充637009）

本系統(tǒng)是基于FPGA為核心的自動(dòng)溫度采集控制恒溫系統(tǒng)，運(yùn)用了傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)的對(duì)一定環(huán)境中的溫度進(jìn)行采集，并通過(guò)FPGA芯片進(jìn)行恒溫控制。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不需要人為進(jìn)行任何控制。系統(tǒng)通過(guò)固化在內(nèi)部的程序，自動(dòng)對(duì)外界溫度進(jìn)行采集，顯示，并控制。該系統(tǒng)既能滿足小范圍內(nèi)的恒溫控制，同時(shí)又具有造價(jià)低，維護(hù)簡(jiǎn)便，可操作性好的優(yōu)點(diǎn)。非常適用于小范圍內(nèi)的恒溫控制。

FPGA；自動(dòng)控制；自動(dòng)采集；溫度控制

隨著當(dāng)前工業(yè)控制自動(dòng)化日益普及，對(duì)于工作環(huán)境中的溫度控制也越來(lái)越重要。本設(shè)計(jì)即是針對(duì)某些需要持續(xù)恒溫的特殊環(huán)境而設(shè)計(jì)的自動(dòng)溫度采集控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA作為硬件核心部分，有效地利用FPGA在可編程門陣列方面的優(yōu)點(diǎn)，最大限度的使硬件電路軟件化，減少了可視硬件的規(guī)模，降低了硬件加工、布線以及元器件采購(gòu)方面的成本與復(fù)雜性，從而降低了故障排查方面的繁雜性［1-3］。使硬件電路簡(jiǎn)潔，降低了整體占用的空間。相對(duì)于其他的溫度控制系統(tǒng)，具有小巧，維護(hù)維修方便的優(yōu)點(diǎn)，大大的提高了可維護(hù)性，同時(shí)由于采用的元器件都比較常見(jiàn)，整體成本較低。因此很適用于一些小規(guī)模同時(shí)對(duì)溫度精度要求不高的場(chǎng)合［1］。

1　系統(tǒng)工作原理

通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境溫度的采集，并將采集到的溫度信號(hào)傳送給FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片能夠自主地對(duì)采集的溫度信號(hào)進(jìn)行處理，并能通過(guò)LED顯示當(dāng)前溫度，同時(shí)自動(dòng)將采集到的溫度信號(hào)與預(yù)設(shè)的溫度進(jìn)行比較得出正確的比較結(jié)果，通過(guò)I/O端口輸出控制外圍設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行控制，從而達(dá)到實(shí)時(shí)溫度控制的目的［5］。本設(shè)計(jì)中主要有溫度采集模塊、FPGA芯片模塊、LED數(shù)字顯示模塊三部分，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖Fig.1The block of diagram system

通過(guò)FPGA編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集，并且實(shí)時(shí)地處理采集到的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼通過(guò)8段LED數(shù)碼管顯示出此前的溫度。與此同時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)將會(huì)與存儲(chǔ)在芯片里的溫度預(yù)設(shè)值比較，并自動(dòng)產(chǎn)生比較結(jié)果，控制外圍設(shè)備對(duì)被測(cè)空間的溫度實(shí)施調(diào)節(jié)控制，從而達(dá)到恒溫的目的，溫度傳感器采集出的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)二進(jìn)制數(shù)組片選選擇數(shù)據(jù)通過(guò)LED顯示，選擇的數(shù)據(jù)再與標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行比較，溫度過(guò)高降溫處理、溫度過(guò)低則升溫處理。

2　主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)

控制模塊如圖2所示，其中兩個(gè)PNP三極管的作用是在P1輸出控制信號(hào)時(shí)起到開(kāi)關(guān)作用，根據(jù)圖中的三極管接法，當(dāng)輸出控制信號(hào)為低電平時(shí)，三極管通導(dǎo)，此時(shí)P2繼電器中有電流通過(guò)，使其3和6引腳接通。設(shè)計(jì)中由于采用的三極管對(duì)電流的要求較高，而又由于繼電器內(nèi)部可以認(rèn)為相當(dāng)于是一個(gè)電感，因此在繼電器剛剛上電的時(shí)刻，三極管發(fā)射極和集電極電流將會(huì)很大，很容易將三極管燒毀，因此加裝穩(wěn)壓二極管D2，使繼電器上電工作的時(shí)刻，瞬間電流通過(guò)二極管回路而不是通過(guò)三極管，就可以有效保護(hù)三極管不被燒毀。

圖2　外圍控制電路原理圖Fig.2Circuit schematic of the external control

外部輸出信號(hào)為低電平時(shí)，p2回路導(dǎo)通，引腳6與引腳3有電流，p3導(dǎo)通開(kāi)始工作，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，燈泡點(diǎn)亮；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，風(fēng)扇工作。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)控制。

3　軟件設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)中采用FPGA芯片作為核心控制部分。在本設(shè)計(jì)中軟件模塊主要包括溫度傳感器控制及數(shù)據(jù)接收模塊，溫度數(shù)據(jù)處理模塊，溫度顯示模塊。

3.1溫度數(shù)據(jù)處理模塊

傳感器數(shù)據(jù)處理模塊tempture的頂層電路圖如圖3所示，它的作用主要是將12位二進(jìn)制的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為用BCD碼表示的3位十進(jìn)制數(shù)，輸入的12位溫度信號(hào)中其中的高8位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為2組4位的BCD碼，例如輸入二進(jìn)制碼為“00010110”，代表十進(jìn)制數(shù)為“22”，輸出BCD碼為“00100010”對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)個(gè)位、十位均為“2”和“2”；然后將剩余的低4位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為4位BCD碼，如輸入二進(jìn)制碼為“1110”，代表10進(jìn)制數(shù)小數(shù)為“0.875”，若只取一位小數(shù)位，則取“8”，其BCD碼可表示為“1000”。通過(guò)三個(gè)輸出端口分別輸出十位、個(gè)位和小數(shù)位。

對(duì)溫度數(shù)據(jù)處理模塊tempture進(jìn)行仿真測(cè)試。假定預(yù)設(shè)置輸入溫度二進(jìn)制的代碼為“000101111011”，則其對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)應(yīng)為：“23.6”。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3　溫度數(shù)據(jù)處理頂層原理圖Fig.3Temperature data-processing top-level schematic

圖4　數(shù)據(jù)處理模塊仿真結(jié)果Fig.4Data-processing module simulation results

根據(jù)頂層原理圖，a［3..0］輸出為溫度數(shù)值的十位數(shù)，b［3.. 0］輸出為溫度數(shù)值的個(gè)位數(shù)，c［3..0］輸出為溫度數(shù)值的小數(shù)位。則仿真圖中，shi、fen、ge三位輸出的數(shù)字分別為“2”、“3”、“6”，仿真結(jié)果與預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)果一致。

3.2溫度顯示模塊

設(shè)計(jì)采用了4個(gè)8段式的LED數(shù)碼管可以動(dòng)態(tài)顯示溫度的百位、十位、個(gè)位與分位。下圖為溫度顯示模塊的頂層電路，由圖可知，模塊由片選模塊、譯碼轉(zhuǎn)換模塊與計(jì)數(shù)器三者組成。片選模塊主要由一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和四選一電路組成。

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，先將二進(jìn)制計(jì)數(shù)器在clk控制下依次連續(xù)產(chǎn)生4個(gè)兩位二進(jìn)制數(shù)組，來(lái)控制片選模塊選擇性的輸出shi［3..0］、ge［3..0］、fen［3..0］、bai［3..0］四路輸入信號(hào)中任意的一路。將選出的這一路輸入信號(hào)交給譯碼轉(zhuǎn)換模塊，利用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的連續(xù)二進(jìn)制數(shù)組，可以控制譯碼器依次輸出對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)組來(lái)依次點(diǎn)亮各個(gè)LED數(shù)碼管。最后，可以在LED上顯示出數(shù)字，讀取結(jié)果。

圖5　溫度顯示模塊頂層電路Fig.5Temperature display module top-level circuit

對(duì)溫度顯示模塊display進(jìn)行軟件仿真測(cè)試，設(shè)置輸入shi［3..0］、fen［3..0］、ge［3..0］分別是“0100”、“0011”、“0010”，則其對(duì)應(yīng)10進(jìn)制數(shù)應(yīng)為“43.2”。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　display模塊仿真圖Fig.6Map display module simulation

由仿真示意圖可看出，片選信號(hào)由時(shí)鐘信號(hào)控制循環(huán)變化，而對(duì)應(yīng)輸出的ledout端也依次輸出shi，fen，ge，bai四個(gè)端口輸入的數(shù)據(jù)，且輸出的是8位LED數(shù)碼管顯示碼，從圖中可以讀出，當(dāng)片選信號(hào)為“0111”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)ledout為“11000000”，即表示在數(shù)碼管上的顯示為0，小數(shù)點(diǎn)不亮，表示百位為0；當(dāng)片選信號(hào)為“1011”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)ledout為“10011001”，在數(shù)碼管上的顯示為4，小數(shù)點(diǎn)不亮，表示十位為4；當(dāng)片選信號(hào)為“1101”時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出ledout為“10110000”，在數(shù)碼管上的顯示即為3，表示個(gè)位為3，；當(dāng)片選信號(hào)為“1110”時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出ledout為“00100100”，在數(shù)碼管上的顯示即為2，小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮，表示小數(shù)位為2。動(dòng)態(tài)掃描后可知，數(shù)碼管上顯示的內(nèi)容即為“043.2”。與輸入的數(shù)據(jù)相同，說(shuō)明程序編寫正確，系統(tǒng)運(yùn)用良好。

4　測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)顯示，LED數(shù)碼管上顯示的溫度與實(shí)際測(cè)量的溫度，從表中可以得出，兩者近似相等，誤差在0%～0.58%之間，是可以接受的誤差范圍。表2是指設(shè)定了所需溫度，記錄溫度變化的過(guò)程與實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的時(shí)間。例如第一次中，我們?cè)O(shè)定的溫度為20℃，開(kāi)始LED上顯示的溫度值為17.5℃，最后經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)溫度升高到20.2℃，這一過(guò)程共用時(shí)30分鐘。誤差也是存在的，誤差在1%左右，也是可以接受的范圍。

表1　溫度顯示測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1The data of temperature display test

表2　溫度顯示測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2The data of temperature display test

5　結(jié)束語(yǔ)

從測(cè)試結(jié)果上看，設(shè)計(jì)的主要目的已經(jīng)達(dá)到，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，精度也已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但設(shè)計(jì)中仍存在一定缺陷，主要缺陷在于本設(shè)計(jì)中所使用的預(yù)設(shè)溫度是固化在程序中，一旦系統(tǒng)開(kāi)始工作，就不能再更改預(yù)設(shè)的溫度，因此本系統(tǒng)比較適用于不會(huì)經(jīng)常變更設(shè)置溫度的場(chǎng)合。

［1］蔣雙燕.熱療系統(tǒng)的溫度測(cè)控技術(shù)及應(yīng)用研究［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

［2］李建海.電池溫度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，15（8）：1-3.

［3］張耀鋒，孫以材.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅鳠o(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.傳感器世界，2008，25（1）.［4］稅長(zhǎng)江.CPLD在遠(yuǎn)程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.國(guó)外電子元器件，2004，5（3）：4-7.

［5］何健.基于DS18B20傳感器測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.湖南機(jī)農(nóng)，2013，15（3）：1-2.

［6］文豐.基于FPGA的采樣率可編程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008，2（6）：32-33.

［7］孫曉明，鄒勇.一種多通道高速并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子元器件應(yīng)用，2006，8（10）：32-34.

［8］顏麗娜，張鐵民.基于DS18B20測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2010，11（8）：1-2.

［9］計(jì)新，齊英鑫，張鳳蘭.數(shù)字溫度傳感器DS1620在恒溫控制中的應(yīng)用［J］.延邊大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，4（27）：1-4.

An automatic acquisition control system based on FPGA

LI Yi-lin，XIAO Shun-wen，YI Huan，YANG Yuan
（College of Physics and Electronic Information，China West Normal University，Nanchong 637009，China）

The system is based on the FPGA that can automatically control and collect system temperature，using the sensor technology，we can collect the temperature of the certain environment，and can control temperature through the FPGA chips. In the process of system operation，people do not need to have any control over the system，because of the internal procedures，the system can automatically acquisition the temperature of outside world，displaying it by LED and control the data.This system suits for the small range of temperature control，and have low-cost，easy maintenance，good operational advantages.At the same time，It can applied to a small area of constant temperature control.

FPGA；automatic control；automatic acquisition；tempreature control

TN108.4

A

1674－6236（2015）24-0096-03

2015-04-02稿件編號(hào)：201504017

四川省教育廳科研基金重點(diǎn)項(xiàng)目（15ZA0145）

李怡琳（1991—），女，四川綿陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：軟件無(wú)線電、EDA技術(shù)及SOPC技術(shù)。