基于EDA 技術(shù)的數(shù)字溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐承旸

（蘇州大學(xué) 江蘇 蘇州 215031）

0 引言

EDA（Electronic Design Automation）技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展起來的電子設(shè)計(jì)技術(shù)，它是一種以可編程邏輯器件為載體，以計(jì)算機(jī)為工作平臺，用硬件描述語言（VHDL）對電子系統(tǒng)進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)，在國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界受到廣泛關(guān)注[1]。EDA 技術(shù)作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)開發(fā)具有修改軟件即可改變硬件的技術(shù)，其具有速度快、可靠性高的優(yōu)勢。

如今市面上普遍流通的是模擬溫度控制系統(tǒng)。模擬溫度控制系統(tǒng)有著諸多缺點(diǎn)需要改進(jìn)，例如不穩(wěn)定性、不精確性，且具有較大的延時性。溫度會在設(shè)定的溫度內(nèi)較大幅度地來回波動，從而會對酸奶的發(fā)酵過程產(chǎn)生影響[3]。因此，本文設(shè)計(jì)了一款數(shù)字溫度控制系統(tǒng)對現(xiàn)如今的產(chǎn)品進(jìn)行改良升級。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

通過EDA 技術(shù)，設(shè)計(jì)完成一個仿真數(shù)字溫度控制系統(tǒng)為主的恒溫酸奶機(jī)，能夠根據(jù)前端輸入的溫度信號，動態(tài)地調(diào)節(jié)后端的加熱強(qiáng)度，并讓溫度維持在設(shè)定的溫度小幅度波動。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理圖見圖1。

系統(tǒng)原理圖由前端溫度傳感器、AD 轉(zhuǎn)化、鍵盤輸入、FPGA 處理器芯片、DA 轉(zhuǎn)化、后端加熱模塊組成。

前端的溫度經(jīng)過溫度傳感器采集，成為模擬信號。模擬信號經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，輸入到FPGA 芯片處理器中。芯片將該數(shù)字信號的值與鍵盤鍵入的溫度設(shè)定值進(jìn)行動態(tài)比較，并給出相應(yīng)的數(shù)字加熱強(qiáng)度信號。該數(shù)字信號經(jīng)過DA 轉(zhuǎn)化成模擬信號，傳輸?shù)胶蠖思訜崮K進(jìn)行加熱。在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，我們主要對FPGA 芯片處理器進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。

從前端電路采集到的溫度，以電壓的形式輸入到A/D轉(zhuǎn)化器。前端溫度采集電路的電壓與真實(shí)溫度的關(guān)系見式（1）。

A/D 轉(zhuǎn)化芯片選用的是ADC0809（包含IN0-7、D0-7、ADDA、ADDB、ADDC、ALE、OE、EOC、CLOCK、START、Vref(+)、Vref(-)、Vcc、GND 共28 個引腳）。

目前，我國特色農(nóng)產(chǎn)品在進(jìn)行英語標(biāo)準(zhǔn)化翻譯時，不僅直譯過多，而且得不到企業(yè)應(yīng)有的重視，導(dǎo)致該問題始終得不到及時解決。研究發(fā)現(xiàn)，很多農(nóng)產(chǎn)品企業(yè)并不關(guān)注英語標(biāo)準(zhǔn)化翻譯問題，他們更為重視特色農(nóng)產(chǎn)品外包裝的設(shè)計(jì)，包括商標(biāo)的圖像、顏色等。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要有：①企業(yè)認(rèn)為外包裝的新穎設(shè)計(jì)更能夠激起消費(fèi)者的購買欲望；②很多農(nóng)產(chǎn)品企業(yè)認(rèn)為對于農(nóng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化翻譯相當(dāng)復(fù)雜，且企業(yè)缺乏相關(guān)人才，要提高翻譯質(zhì)量，就要增加這方面的人力和資金投入，這是一項(xiàng)較大的費(fèi)用支出，因而大多數(shù)企業(yè)不重視農(nóng)產(chǎn)品的英語標(biāo)準(zhǔn)化翻譯[3]。

其引腳圖見圖2。

其中，IN0-IN7 中任意一個輸入信號，D0-D7 輸出數(shù)字信號到FPGA 芯片。ALE、EOC、OE、ADDA-ADDC 與處理器連接控制ADC0809 的工作狀態(tài)[4]。

處理器輸出的數(shù)字信號需要經(jīng)過DA 轉(zhuǎn)化成模擬信號再傳輸?shù)胶蠖巳?。在這里我們選用的D/A 轉(zhuǎn)化芯片是DA0832(包含DI0-DI7、CS、Xfer、Iout1-2、Rfb、Vref、ILE、WR1-WR2、Vcc、AGND、DGND 共20 個引腳)，其引腳圖見圖3。

DA0832芯片的工作原理與AD0809類似。WR1、WR2接地，ILE 和CS 連接控制芯片，Iout1-2 輸出模擬電壓信號。

按鍵輸入在本實(shí)驗(yàn)方案中，將連接兩個按鈕，以二位二進(jìn)制編碼的形式向處理器傳輸加和減數(shù)據(jù)。同時該模塊還將能把通過按鍵調(diào)節(jié)后的數(shù)值，以式（1）中的形式將鍵入的值轉(zhuǎn)化成模擬形式傳輸?shù)教幚砥髦小?/p>

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)FPGA 處理芯片。本文將FPGA 芯片分為3 個模塊，分別是處理高頻晶振的分頻器模塊ctl、處理外接鍵盤輸入的鍵盤模塊key、接收ADC0809信號并將加熱信號傳輸?shù)紻A8032 并對這兩個芯片進(jìn)行控制的ADC 模塊[5]。最后將3 個模塊連接在一起生成最后的control 電路模塊。

1.3.1 ctl 模塊

ctl 模塊是有一個64 分頻的分頻器，它的主要任務(wù)是將20 MHz 的晶振頻率分頻為較低頻率312 kHz 信號。根據(jù)其功能，用VHDL 語言編寫實(shí)現(xiàn)其功能，并在Quartus II中生成電路圖。該模塊的仿真波形見圖4。

仿真波形證明設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)?？梢钥吹剑斎胝袷幮盘柮拷?jīng)過64 個周期，輸出振蕩信號變反轉(zhuǎn)跳變一次，從而達(dá)到64 分頻的目的。20 MHz 的振蕩源經(jīng)過分頻以后變?yōu)?12 kHz，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期。

1.3.2 key 模塊

Key 模塊的任務(wù)是接受按鍵傳遞的二位二進(jìn)制編碼，同時生成設(shè)定的溫度的模擬信號值，將這個值分別傳遞給顯示器和處理器。根據(jù)其功能，編寫VHDL 程序并得到電路圖。根據(jù)其功能，得到仿真波形圖見圖5。

輸入的二位二進(jìn)制編碼位[01]時，輸出的兩個值不斷增加，而當(dāng)編碼跳變?yōu)閇10]時，輸出的兩個值也不斷減小，兩個輸出的值也滿足式（1）中的關(guān)系式。設(shè)計(jì)滿足預(yù)期。

1.3.3 ADC 模塊

ADC 模塊的任務(wù)是接收ADC0809 的數(shù)字信號，并調(diào)整控制ADC0809 和DA0832 芯片。同時能將接收到的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度比較，最后將合適的加熱強(qiáng)度信號給到后端的D/A 轉(zhuǎn)化模塊。設(shè)設(shè)定溫度為X，AD0809 輸入的溫度信號為Y，輸出到DA0832 的加熱強(qiáng)度信號為Z。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們得到下式（2）～（5）。

根據(jù)其功能，用VHDL 語言編寫實(shí)現(xiàn)，并得到電路圖。其波形仿真圖見圖6。

根據(jù)仿真，該模塊能夠根據(jù)設(shè)定的值wendu 和實(shí)際的溫度din[7..0]進(jìn)行比較，并動態(tài)調(diào)節(jié)輸出加熱強(qiáng)度dout[7..0]。波形圖中，wendu 端設(shè)定的溫度為104，即41℃。這時，當(dāng)溫度信號為90 時，X-Y＞10，所以全力加熱，dout為255。當(dāng)從AD轉(zhuǎn)化器輸入的溫度信號為95時，5 ＜X-Y＜10，所以半功率加熱，dout 為128。當(dāng)溫度為99 ～103 時，X-Y≤5，所以小功率加熱，dout 的幅度從5 變化到1。當(dāng)輸入溫度高于設(shè)定溫度時，便停止加熱，dout 為0。綜上所述，ADC 模塊達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.3.4 control 模塊

成功設(shè)計(jì)3 個模塊之后，進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)操作。將上述3 個模塊按照功能連線組成了control 總控制模塊。其連電路圖見圖7。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對經(jīng)過連線后的control 模塊進(jìn)行仿真波形模擬。圖8 是仿真的波形結(jié)果。

從外界接入20 MHz CLK 信號，芯片正常工作。當(dāng)jiajian 的輸入信號為[01]時，設(shè)定溫度xianshi 不斷上升到41 ℃。參考式（2）～（5），當(dāng)從AD 轉(zhuǎn)化器輸入的實(shí)際溫度值，即輸入端wenduchuanguan 為90 時，X-Y＞10，所以全力加熱，DOUT 為255。當(dāng)實(shí)際溫度為98 ℃時，5 ＜X-Y＜10，所以半功率加熱，DOUT 為128。當(dāng)實(shí)際溫度為99 ～103 ℃時，X-Y＜5，所以小功率加熱，DOUT的幅度從5 到1 變化。當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時，便停止加熱，DOUT 為0。最后，jiajian 端置為[10]，設(shè)定溫度不斷下降，這時X＜Y，DOUT 為0。

綜上所述，我們可以得出結(jié)論，仿真設(shè)計(jì)成功達(dá)到預(yù)期，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)前端的溫度動態(tài)調(diào)節(jié)后端加熱強(qiáng)度的仿真設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)驗(yàn)不足和改進(jìn)

該實(shí)驗(yàn)最大的不足是缺乏實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不能把仿真模擬的程序下載到FPGA 芯片中進(jìn)行實(shí)際的連線和測試，因而缺乏真實(shí)的數(shù)據(jù)和結(jié)果。只有理論和仿真數(shù)據(jù)，無法驗(yàn)證設(shè)計(jì)的完成度和溫度調(diào)節(jié)的精確性。

另外，仿真的結(jié)果也有不足之處。當(dāng)外界溫度從傳感器和AD 轉(zhuǎn)化模塊傳輸?shù)教幚砥鬟M(jìn)行處理，再到根據(jù)溫度輸出模擬信號的過程中存在延時，不能做到完美的實(shí)時響應(yīng)。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用了EDA 技術(shù)，仿真模擬了數(shù)字溫度控制系統(tǒng)，從而對現(xiàn)在市面上的模擬溫度控制系統(tǒng)為主的酸奶機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，記錄和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析不足的步驟，最后設(shè)計(jì)仿真出了一套完整的設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)了現(xiàn)如今的酸奶機(jī)溫度控制系統(tǒng)。遺憾的是缺乏條件，不能在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證仿真功能。