基于FPGA控制的溫度檢測無線發(fā)射接收系統(tǒng)

摘要：本文介紹基于FPGA控制的溫度檢測無線發(fā)射接收系統(tǒng)。本系統(tǒng)采甩EPlKl000C208-3作為控制核心，系統(tǒng)比較溫度是否超出人體最佳溫度范圍，如果過高則發(fā)出降溫信號，如果過低則發(fā)出升溫信號；得出需要加溫還是降溫的信號后通過無線將信號發(fā)射到接收電路，接收電路接收到編碼過的信號后對信號解碼，最終再得到加溫還是降溫信號，再將此信號加上驅(qū)動放大后則可以驅(qū)動步進電機等(本設(shè)計用發(fā)光二極管代替步進電機)。本設(shè)計應(yīng)用了FPGA技術(shù)、溫度傳感技術(shù)、無線發(fā)射和接收技術(shù)，具有集成度高，測量數(shù)據(jù)精度高、性價比高等特點。具有較強的實用價值和廣闊的市場前景。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；數(shù)字溫度傳感器；無線收發(fā)

O 前言
    隨著社會節(jié)能環(huán)保意識的增強，人們越來越重視能源的利用效率。傳統(tǒng)的暖氣控制都是利用鍋爐燒出蒸汽或熱水，通過管道輸送到建筑物內(nèi)的散熱器中，散出熱量，使室溫增高。但是這種設(shè)備控制中心和客戶端不在同一個地方，這樣就存在著一種控制中心不了解客戶的情況。存在著暖氣開得過大或者過小，從而導(dǎo)致客戶溫度過低或過高而浪費了能源!
    以前大多溫度控制系統(tǒng)都是用單片機控制的，但是隨著FPGA的迅速發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣。本人將設(shè)計出一套由FPGA獨立控制的、智能化的遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)。由一個放置于客戶端的溫度采集系統(tǒng)采集到客戶端溫度(可排除工程中熱損失)，當(dāng)大于或小于人體最佳溫度區(qū)時發(fā)出報警信號，由控制端去控制是應(yīng)該加溫還是降溫，從而達到節(jié)能的作用。

1 數(shù)字溫度傳感技術(shù)
1．1 數(shù)字溫度傳感器原理
    數(shù)字溫度傳感器LM75A是一個使用了內(nèi)置帶隙溫度傳感器和∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。簡化框圖如圖1所示。

    它也是一個溫度檢測器，可提供一個過熱檢測輸出。LM75A包含許多數(shù)據(jù)寄存器：配置寄存器(Conf)，用來存儲器件的某些配置，如器件的工作模式、OS工作模式、OS極性和0S故障隊列等；溫度寄存器(Temp)，用來存儲讀取的數(shù)字溫度，器件通過2線的串行I2C總線接口與控制器通信。LM75A還包含一個開漏輸出(OS)，當(dāng)溫度超過編程限制的值時該輸出有效。LM75A有3個可選的邏輯地址管腳，使得同一總線上可同時連接8個器件而不發(fā)生地址沖突。
    LM75A可配置成不同的工作條件。它可設(shè)置成在正常工作模式下周期性地對環(huán)境溫度進行監(jiān)控或進入關(guān)斷模式來將器件功耗降至最低。OS輸出有2種可選的工作模式：OS比較器模式和OS中斷模式。OS輸出可選擇高電平或低電平有效。故障隊列和設(shè)定點限制可編程，為了激活OS輸出，故障隊列定義了許多連續(xù)的故障。
    溫度寄存器通常存放著一個11位的二進制數(shù)的補碼，用來實現(xiàn)0．125℃的精度。這個高精度在需要精確地測量溫度偏移或超出限制范圍的應(yīng)用中非常有用。
    正常工作模式下，當(dāng)器件上電時，OS工作在比較器模式，溫度閾值為80℃，滯后75℃，這時，LM75A就可用作一個具有以上預(yù)定義溫度設(shè)定點的獨立的溫度控制器。
1．2 溫度傳感器控制原理
    如果將溫度傳感器設(shè)定為正常工作模式，那么首先要向配置寄存器寫入控制字告訴器件的工作模式。寫配置寄存器時序如圖2所示。

    寫配置寄存器首先要選擇器件的地址，即A0-A2設(shè)置與硬件地址A0-A2一樣。然后是寫入配置寄存器地址指針，配置寄存器指針為”0000-000l”。等待器件應(yīng)答一個SCL周期，再寫入工作模式控制字。如果設(shè)置在正常工作模式下，OS設(shè)置為比較輸出，那么配置數(shù)據(jù)字應(yīng)寫入”00000000”。
    寫入配置寄存器控制字”00000000”后溫度傳感器工作在正常工作模式下，即每一段時間溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存放在溫度寄存器里，所以只需要將溫度寄存器的數(shù)據(jù)讀出再加以計算即可以得到溫度數(shù)據(jù)。讀取溫度寄存器的時序如圖3所示。

    讀取溫度寄存器時首先是選中器件，地址信號應(yīng)該與硬件設(shè)置地址一致。第二段是選擇溫度寄存器，溫度寄存器指針地址P1-P0寫入”0-0”，表示下次操作的默認(rèn)寄存器為器件的溫度寄存器。重新起始后再次選中器件并讀取溫度寄存器的十六位的溫度數(shù)據(jù)，并將十六位的數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)前十一位提取出，即可得到有效的溫度數(shù)據(jù)。將溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的溫度比較后得出升溫或降溫信號，連接到無線發(fā)射模塊的KEYl、KEY2上發(fā)射到接收端。接收端接收到信號后再經(jīng)過放大后便可驅(qū)動步進電機等。

2 時序的實現(xiàn)方法
    FPGA與其它邏輯語言的運行有很大區(qū)別，最大的區(qū)別就是FPGA是硬件語言，而不是類似于c語言的程序。VHDL下載后生成的是邏輯硬件電路，不是控制器控制執(zhí)行的邏輯語句。VHDL語言每個進程之間是并行運行的，但是進程內(nèi)部的語句卻又是順序執(zhí)行的。而且每個信號的傳輸都是在所在進程結(jié)束的時候進行的。這點很重要，比如你對一個信號前后兩次賦值，哪怕你中間有很多運算最終的結(jié)果還是最后一次賦值的結(jié)果，前一次賦值將是無效的，且會在報告中彈出一個警告。每個process的運行是靠敏感信號觸發(fā)的，敏感信號放在process后面的括號中。所以對于VHDL語言來說循環(huán)語句不是很必要的，因為每次敏感信號變化該進程將從程序的第一句開始重新運行一次。意味著一個進程本來就是一個循環(huán)，只有變化的部分的信號才能得到改變。這一點與普通邏輯語言有很大的區(qū)別。
    對于時序的實現(xiàn)有很多方法，可以用case語句實現(xiàn)，也可以用if語句實現(xiàn)。但是最有效和合乎邏輯的方法是用狀態(tài)機實現(xiàn)。以下是狀態(tài)機的模型。

    狀態(tài)機邏輯清晰，在每個對應(yīng)的狀態(tài)下將每個信號應(yīng)該進行的操作放在對應(yīng)的狀態(tài)機程序中，嚴(yán)格控制各個信號的時序要求則可精確地實現(xiàn)高速控制。而且比單片機具有更高的速度。

3 無線收發(fā)模塊
3．1 無線收發(fā)硬件原理

    如圖4所示，無線發(fā)射模塊PT2262將來自10-13管腳的按鍵信號編碼后在17管腳上輸出。PT2262的17管腳的信號由同步碼、地址碼、數(shù)據(jù)碼組成。17管腳輸出信號經(jīng)過R315A芯片AM調(diào)制后輸出到天線上。每組數(shù)碼連續(xù)發(fā)射四次，只有兩次得到的數(shù)碼一樣以后才把相應(yīng)數(shù)據(jù)位輸出高電平。為了保護高頻設(shè)備，本設(shè)計采用間歇發(fā)射的方式，即每3s發(fā)射一下信號，然后停止1s。目的是為了保護高頻設(shè)備，避免其一直處于一種工作狀態(tài)而降低其壽命。

    接收電路如圖5所示，接收端將天線接收到信號經(jīng)過兩級三極管放大以后再經(jīng)過一級同向放大，最后將放大信號經(jīng)過比較以后，輸出到PT2272芯片的14管腳，如果沒有受到外部干擾，PT2272的14管腳的信號與PT2262的17管腳的信號是一致的。PT2272內(nèi)部將接收到的信號解碼后得出數(shù)據(jù)碼，并在相對應(yīng)的輸出管腳輸出高電平。如果輸出的信號有效，那么在2272的17管腳將輸出一個高電平有效的信號，表示輸出信號是有效的。
4．2 無線發(fā)射信號原理

    發(fā)射數(shù)據(jù)分為三部分，第一部分是地址碼，第二部分是數(shù)據(jù)碼，最后一部分是同步碼。即在每一段數(shù)據(jù)后邊都有一個定位信息。每個AD碼為占32a。地址碼和數(shù)據(jù)碼都用寬度不同的脈沖來表示，兩個窄脈沖表示”O(jiān)”；兩個寬脈沖表示”1”；一個窄脈沖和一個寬脈沖表示”F-”，也就是地址碼的”懸空”。
    發(fā)射的數(shù)據(jù)是一個字碼由12位AD碼(地址碼加數(shù)據(jù)碼，比如8位地址碼加4位數(shù)據(jù)碼)組成。2262每次發(fā)射時至少發(fā)射4組字碼，2272只有在連續(xù)兩次檢測到相同的地址碼加數(shù)據(jù)碼才會把數(shù)據(jù)碼中的”1”驅(qū)動相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平和驅(qū)動VT端同步為高電平。

    因為無線發(fā)射的特點，第一組字碼非常容易受零電平干擾，往往會產(chǎn)生誤碼，所以程序可以丟棄處理。接收端接收到升溫或者降溫信號后可以控制步進電機等驅(qū)動電路工作去控制暖氣系統(tǒng)升溫和降溫。