《基于FPGA的温度数据实时采集系统(共7页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA的温度数据实时采集系统(共7页).doc（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上基于FPGA的温度数据实时采集系统 摘要:运用传感器技术,实时地对一定环境中的温度数据进行采集,并通过FPGA进行实时处理并 显示。系统采用模块化设计,通过固化在模块内部的程序,自动对外界温度进行采集和控制,并通 过数码管实时显示。经测试,系统运行稳定,维护简便,参数误差为0.2%,非常适用于多路及多点 温度实时采集。 关键词:FPGA 温度 数据采集 中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)01-0000-00 1 前言 温度是现代生活及生产中常见的参数,在工业生产、科研及医疗等需要严格进行温度控制的行业中,需要对温度进行实时监控和处理,
2、就需要精度和自动化水平高、应用范围广的温度采集系统。FPGA器件高速度、高集成、低功耗、体积小,FPGA器件的出现使得数字电路的设计周期和难度都大大减小,在数字电路的设计中得到广泛的应用。 本设计采用能适应恶劣环境的数字化温度传感器DS18B20,采用FPGA芯片作数据处理,实现环境温度实时采集及显示。 2 系统工作原理 系统工作原理框图如图1所示,主要由温度采集电路、温度数据接收模块、温度数据处理模块、温度显示模块、LED电路组成。温度采集电路中温度传感器为数字温度传感器DS18B20,通过传感器实现对外界环境温度的采集,FPGA将在60个计数周期内将控制信号传送至温度传感器中,使温度传感器
3、将温度信号送出。通过FPGA编程实现实时采集温度传感器的温度数据,并实时处理采集到的数据,并将其转换为BCD码通过数码管显示出当前的温度。 3 温度数据接收模块 温度数据接收模块与DS18B20温度传感器直接相连,用来控制DS18B20的操作,并获取数字温度值。本设计只用于测量正常环境温度,因此知道100以下的温度即可。在读取数据时,只用取DS18B20传感器的低12位数据。模块电路原理图如图2所示,其中CLK输入为系统时钟信号20MHz分频得到的1MHz同步信号;DS18B20为与传感器相连接的双向端口,temp11.0为12位数字温度值输出。Temperature0模块的功能是向DS18B
4、20输出控制命令,并将DS18B20测得的数字温度信号输出。其中,d端口向DS18B20输出控制信号;cont为三态门的使能信号,当d向dq端口输出控制命令时,cont=1,而当dq向FPGA返回信号时,cont=0,为高阻态,而dq端口全程记录DS18B20的状态,向FPGA返回测量温度值时,temperature0通过此端口将数字值存储输出。 4 温度数据处理模块 温度数据处理模块如图3所示,为将12位二进制温度信号数值转换为3个用BCD码表示的十进制数。通过十位(shi3.0)、个位(ge3.0)和小数位(fen3.0) 三个端口输出。该模块的作用是将输入的12位二进制温度数据,转换成3
5、组二进制BCD码,每一组BCD码分别对应代表十位,个位,十分位十进制数。 预先将0.0至99.9之间的所有温度值以0.1摄氏度为步进都在程序CASE语句中列出,相当于预先在程序中设置一个查找表,这样对于输入的100摄氏度以内的任意温度值都能找到与之对应的BCD码。由于设计中所需要的温度范围不大,并且在程序设计上相对简单,且程序在运行过程中稳定可靠,易于人工对照和查询。 温度数据处理模块tempture1的部分VHDL代码片段如下: case tin(11 downto 4) is when=tout(11 downto 4)tout(11 downto 4)tout(3 downto 0)to
6、ut(3 downto 0)=1000; end case; 这部分代码的作用将低4位二进制数小数部分代码转换为4位BCD码。如代码所示,输入二进制码为“1101”,代表十进制数小数为“0.8125”,若只取一位小数位,则取“8”,其BCD码即“1000”。 对数据处理模块tempture1进行仿真测试。预设置输入温度二进制代码为“0”,其对应十进制数应为“26.8”。 5 温度显示模块 本设计中采用LED数码管动态显示温度的百位、十位、个位、十分位。温度显示模块如图4所示,tempture2模块其内部由片选模块、译码转换模块和计数器模块组成,其中片选模块由一个二进制计数器和一个四选一电路组成
7、。系统工作时,cout4计数器在时钟脉冲控制下依次循环产生4个两位二进制数组,用于控制digit_sel模块选择输出shi3.0,ge3.0,fen3.0,bai3.0四路输入信号中的任意一路。位译码模块则依靠二进制计数器产生的循环二进制数组,控制seg_dec模块依次循环输出4位二进制数组用于各个LED数码管的点亮。译码转换模块仍然嵌入在seg_dec模块中,其作用是将digit_sel模块输出的4位二进制BCD码转换为8位用于点亮LED数码管的二进制段显码。 图4 温度显示模块 设置输入shi3.0,fen3.0,ge3.0 分别是“0110”,“ 1001”,“ 1000”,则其对应十进
8、制数应为“69.8”,随着片选信号的循环变化,对应输出led也循环依次输出Shi、fen、ge、bai四输入数据,并且输出的为8位二进制LED数码管显示码。当片选为“0111”时,对应输出led为“”,在数码管上显示即为0,且小数点不亮;当片选为“1011”时,对应输出led为“”,在数码管上显示为6,且小数点不亮;当片选为“1101”时,对应输出led为“”,在数码管上显示即为9,且小数点不亮;当片选为“1110”时,对应输出led为“”,在数码管上显示即为8,且小数点点亮。在动态扫描下,4个数码管上显示内容即为“069.8”,与实际输入的数字相同。 6 结语 经测试,系统运行稳定,维护简便
9、,参数误差为0.2%,设计目的已经达到。本设计采用FPGA芯片做为数据处理控制芯片,虽然从成本上增加,但FPGA的VHDL语言在硬件模块化构建方面具有很大的优势,可以利用其内部的门电路最大限度地将硬件电路模块化处理,极大降低了后期故障查检的工作量。另外,FPGA器件的处理速度可达几百MHz,以及有丰富的可用I/O端口,在实现多路多点及高速温度实时采集时,优势就凸显出来了。 参考文献 1 单慧琳,陈钟荣,张银胜.基于CPLD的温度采集系统的设计J.微计算机信息,2008,24 (35):210-211,220. 2 宋亚伟,李恒宗.基于DS18B20的温度采集控制系统J.机电工程技术,2008,
10、37(09):89-91. 3 穆振海.基于FPGA的智能温度采集控制器J.微计算机信息,2008,24(20):225-226,243. 4 肖金球,刘传洋,仲嘉霖.基于FPGA的高速实时数据采集系统J.电路与系统学报,2005, 10(06):128-131. 5 杨林楠,李红刚,张丽莲.基于FPGA的高速多路数据采集系统的设计J.计算机工程,2007, 33(07):246-248. 6 李健,李正平,徐超.基于FPGA_VHDL的温度控制系统设计J.电子技术,2008,09:20-21. 7 王成,乔晓军,焦春岩.分布式温室环境信息监测系统J.自动化技术与应用,2005, 24(01): 54-56. 基金项目: 四川省教育厅科研基金重点项目(07ZA127) 作者简介: 肖顺文(1970-),男,副教授,硕士,主要从事FPGA教学及研究工作。专心-专注-专业