基于FPGA的多功能温度控制器设计

北华航天工业学院毕业论文I摘要本论文所设计的是一个基于FPGA的多功能数字温度控制器。本设计克服了传统数字温度计精度低的缺点，并且除了传统温度计的测量温度功能外还具有一定的控制功能，能更好的对所测量的温度进行处理，控制模块的加入让其比传统温度计具有更强的实用性。本设计采用EDA技术自上而下的设计思路，对系统的结构划分为温度采集模块、温度显示模块、输入数据对比模块，输出控制模块。在QuartusII软件下应用VHDL语言进行电路设计并仿真，根据仿真的结果。该方案能够较好的实现测温功能并且能对温度进行有效的控制。关键字：温度控制；FPGA；VHDL；北华航天工业学院毕业论文IIAbstractDesignedbythispaperisamultifunctionaldigitaltemperaturecontrollerbasedonFPGA.Thisdesignovercomesthedrawbackoftraditionaldigitalthermometerlowaccuracy,andinadditiontothetraditionalthermometertemperaturefunctionalsohasthecertaincontrolfunction,canbetterhandleandonthemeasuredtemperaturecontrolmoduletojoinitsthantraditionalthermometerhasstrongerpracticability.Thisdesignadoptsthetop-downdesignEDAtechnology,thestructureofsystemisdividedintotemperatureacquisitionmodule,displaymodule,theinputdatacontrastmodule,outputcontrolmodule.UndertheQuartusIIsoftwarecircuitdesignandsimulationusingVHDLlanguage,accordingtotheresultofsimulation.Theschemecanachieveabettertemperaturemeasurementfunctionandcancarryontheeffectivecontroloftemperature.KeyＷords:TemperaturecontrolFPGAVHDL北华航天工业学院毕业论文III目录第1章绪论...............................................................11.1课题背景及国内外研究概况.............................................11.2课题相关技术发展.....................................................11.3课题研究的必要性.....................................................11.4课题研究的主要内容...................................................21.5课题所设计的温度控制器的优点.........................................2第2章FPGA的简介........................................................32.1FPGA的概述...........................................................32.2FPGA的基本结构.......................................................32.3FPGA系统设计流程.....................................................52.4FPGA开发编程原理.....................................................6第3章DS18B20温度传感器简介.............................................83.1传统温度采集器件的简述...............................................83.2DS18B20的引脚........................................................83.3DS18B20内部结构......................................................83.4DS18B20的时序.......................................................103.5DS18B20的工作原理...................................................113.6DS18B20的性能特点...................................................123.7DS18B20使用过程中的注意事项.........................................12第4章QUARTERSII软件简介...............................................134.1QUARTUSII软件概况...................................................134.2软件界面简介........................................................134.3QUARTUSII的设计流程.................................................14第5章温度控制器的设计总流程............................................175.1温度控制器系统结构图................................................175.2DS18B20温度采集模块的驱动设计.......................................175.3FPGA温度显示模块的设计..............................................195.4FPGA数据比较模块的设计..............................................195.5FLEX10K开发箱上的下载..............................................20北华航天工业学院毕业论文IV第6章结论..............................................................22附录....................................................................23附录1..................................................................23北华航天工业学院毕业论文1基于FPGA的多功能温度控制器设计第1章绪论1.1课题背景及国内外研究概况温度控制无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，而在当今，我国农村锅炉取暖，农业大棚，养鸡场内等多数都没有实用的温度控制系统，还有部分厂矿，企业还一直沿用简单的温度设备和纸质数据记录仪，无法实现温度数据的实时测量与控制。随着社会经济的高速发展，越来越多的生产部门和生产环节对温度控制精度的可靠性和稳定性等有了更高的要求，而且随着人们日常生活的不断提高，传统的温度控制器越来越不能满足人们生活中的需要并且传统温度控制器的精度也已经不能满足对温度要求较为苛刻的生产环节。1.2课题相关技术发展当今电子产品正向功能多元化、体积最小化、功耗最低化的方向发展。现在的电子产品在设计上与传统的电子产品相比较，显著的区别在于其大量地使用了大规模可编程逻辑器件，使产品的性能提高，体积缩小，功耗降低。同时广泛运用了现代计算机技术，提高产品的自动化程度和竞争力，缩短研发周期。EDA技术正是为了适应现代电子技术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。美国ALTERA公司的可编程逻辑器件采用全新的结构和先进的技术，加上或最新的QUARTUSII开发环境，更具有高性能，开发周期短等特点，十分方便进行电子产品的开发和设计。EDA技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑映射，编程下载等工作。最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。1.3课题研究的必要性随着社会的不断发展，新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变着我们的生活，改变着我们的世界。近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对温度控制器的要求也越北华航天工业学院毕业论文2来越高，不管在哪里，人们都想知道此刻的温度和天气状况等一些信息，传统的温度控制器由于它的局限性以及不方便性，已不能满足人们的需求。温度控制器需要一次革命，不管是在性能还是在样式上都将发生质的变化，于是数字温度控制器的时代悄然来临了。1.4课题研究的主要内容本设计主要研究的是基于FPGA的数字温度控制器，要求温度采集准确精确，并且能够自行设定阈值温度。当温度超过阈值温度后，FPGA启动控制功能，根据实际需要驱动控制器件，实现对温度的调节。1.5课题所设计的温度控制器的优点（1）读数快且不用估读。数显温度计读数特别快,因为只要将显示器上的数字读出即可,不用估读,节省时间。（2）测量的精度高。因为能读出0.01,比用精度为1或0.1的温度计测量精度大大提高。（3）测量时间短。数显温度计的热容量小,达到热平衡所需的时间短,对待测物体的温度影响小。（4）电路简单。本测温系统的电路很简单,所用的原件少,且造价很低。（5）测温区域宽。比一般的温度计测量温度的区域宽。（6）可进行远距离测量。将本温度控制器的导线延长,完全可进行远距离的测量。（7）可进行自动控制。与计算机联网,可进行自动测温、自动控温测量。（8）应用广。该温度控制器可用于所有的测温场合,不受其他的条件限制。（9）灵活性强。可根据实际的需要替换元件后便能控制不同的器件。北华航天工业学院毕业论文3第2章FPGA的简介2.1FPGA的概述FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray）的简称，与之相应的CPLD是复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD/PGFA。CPLD/PGFA几乎能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路。它如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入或硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真可以事先验证设计的正确性，在PCB完成以后，利用CPLD/FPGA的在线修改功能，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用CPLA/FPGA