基于FPGA的温度传感器系统

1湖北科技学院计算机学院《FPGA原理及应用》课程设计课设题目：温度传感器系统院系：计算机科学与技术专业：物联网工程学生姓名：学号：学生姓名：学号：学生姓名：学号：学生姓名：学号：指导教师：2014年12月2目录一课程设计目的..............................................................................................1二课程设计题目描述和要求............................................................................12.1课程设计题目描述...............................................................................12.2温度传感器检测标准及技术.................................................................1三课程设计报告内容.......................................................................................23.1设计方案.............................................................................................23.2设计方案论证.....................................................................................2四硬件各部分工作原理...................................................................................24.1FPGA芯片简介...................................................................................24.2标准温度测量模块..............................................................................64.3RS-232串口通信模块.........................................................................74.4LCD1602液晶显示.............................................................................7五系统电路原理框图.......................................................................................9六软件设计.....................................................................................................96.1软件原理框图.....................................................................................96.2时序分析...........................................................................................10七误差分析...................................................................................................11八程序设计...................................................................................................118.1主要代码...........................................................................................118.2液晶显示程序...................................................................................17九总结..........................................................................................................20十参考文献...................................................................................................211一课程设计目的温度是一种最基本的环境参数,人们的生活与环境的温度息息相关,在工业生产过程中需要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量,因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器,温度传感器的发展经历了三个发展阶段:传统的分立式温度传感器;模拟集成温度传感器;智能集成温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式,从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。本文将介绍采用智能集成温度传感器DS18B20,并以FPGA为控制器的温度测量装置的硬件组成和软件设计，用液晶来实现温度显示。二课程设计题目描述和要求2.1课程设计题目描述这次基于FPGA温度监测系统设计的课程设计由总体框架构成下，各个部分模块的拼接与联系，在Quartus软件的基础上实现温度监测的功能。首先硬件由DS18B20温度传感器，1602液晶，发光二极管，按键等组成；软件部分由二分频电路，键盘电路和弹跳消除电路组成；最后将硬件和软件合理的结合形成温度监测系统。该实验采用由总到分再到总的实验模式，在总体思路下各硬件电路的实现以及软件电路的辅助之后再总的合并，即完成该课程设计。其中软件的形成需要我们熟悉掌握Quartus软件，由原理图—程序编写—程序编译—程序修改—再次编译—管脚定义—程序下载—程序加载—硬件测试的过程。2.2温度传感器检测标准及技术1、测量准确度：0.01级;分辨率0.1uV和0.1mΩ；2、扫描开关寄生电势：≤0.4μV；3、温度范围：水槽：(室温+5~95)℃油槽：(95~300)℃低温恒温槽：(-80~100)℃高温炉：(300~1200)℃；4、控温稳定度：优于0.01℃/10min(油槽、水槽、低温恒温槽);0.2℃/min(管式检定炉)；5、总不确定度：热电偶检定，测量不确定度优于0.7℃，重复性误差0.25℃;热电阻检定测量不确定度优于50mk，重复性误差10mk；26、工作电源：AC220V±10%，50Hz，并有良好保护接地；三课程设计报告内容3.1设计方案（1）查阅相关文献资料，熟悉所选FPGA芯片及温度传感器（2）总体设计方案规划（3）系统硬件设计，熟悉AD转换原理及过程，温度传感器与FPGA芯片的硬件接口实现及温度显示。（4）系统软件设计，包括温度的AD转换及显示的软件实现，用VHDL语言编程。（5）设计心得体会及总结。3.2设计方案论证有许多客观需求促进了FPGA芯片的设计改进。首先，便携式的嵌入式系统往往需要电池供电。为降低功耗，FPGA芯片已被特殊设计成较小的核，从而延长了电池的使用时间。高的代码密度是嵌入式系统的又一个重要需求。由于成本问题和物理尺寸的限制，嵌入式系统的存储器是很有限的。所以，高的代码密度对于那些只限于在板存储器的应用是非常有帮助的。另外，嵌入式系统通常都是价格敏感的，因此一般都使用速度不高、成本较低的存储器。FPGA芯片不是一个纯粹的RISC体系结构，这是为了使它能够更好的适应其主要应用领域－－嵌入式系统。在某种意义上，甚至可以认为FPGA芯片的成功，正是因为它没有在RISC的概念上沉入太深。现在系统的关键并不在于单纯的处理器速度，而在于有效的系统性能和功耗。在本系统的设计过程中，根据嵌入式系统的基本设计思想，系统采用了模块化的设计方法，并且根据系统的功能要求和技术指标，系统遵循自上而下、由大到小、由粗到细的设计思想，按照系统的功能层次，在设计中把硬件和软件分成若干功能模块分别设计和调试，然后全部连接起来统调。四硬件各部分工作原理4.1FPGA芯片简介目前以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计3验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程.FPGA电源要求输出电压范围从1.2V到5V，输出电流范围从数十毫安到数安培。可用三种电源：低压差(LDO)线性稳压器、开关式DC-DC稳压器和开关式电源模块。最终选择何种电源取决于系统、系统预算和上市时间要求。如果电路板空间是首要考虑因素，低输出噪声十分重要，或者系统要4求对输入电压变化和负载瞬变做出快速响应，则应使用LDO稳压器。LDO功效比较低（因为是线性稳压器），只能提供中低输出电流。输入电容通常可以降低LDO输入端的电感和噪声。LDO输出端也需要电容，用来处理系统瞬变，并保持系统稳定性。也可以使用双输出LDO，同时为VCCINT和VCCO供电如果在设计中效率至关重要，并且系统要求高输出电流，则开关式稳压器占优势。开关电源的功效比高于LDO，但其开关电路会增加输出