基于FPGA的數(shù)字溫度測量儀設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：溫度測量儀是一種常用的檢測儀器，文章中利用FPGA器件和DS18B20傳感器設(shè)計實現(xiàn)了一種數(shù)字溫度測量儀，用于室溫的檢測。該測量儀具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、精確性高、轉(zhuǎn)換速度快、擴展性好等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：溫度測量；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列；DS18B20；VHDL語言

0 引言
    溫度作為一種最基本的環(huán)境參數(shù)，與人民的生活有著密切關(guān)系。溫度的測量和控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療等各個領(lǐng)域中應(yīng)用普遍。溫度測量儀是利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律，把溫度轉(zhuǎn)換為電量并顯示的一種儀器，有著廣泛的適用范圍。
    本文利用FPGA器件與DS18B20溫度傳感器設(shè)計實現(xiàn)了一種數(shù)字溫度測量儀，用于檢測室溫。與其它系統(tǒng)相比較，此測量儀具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、精確性高、轉(zhuǎn)換速度快、擴展性好等優(yōu)點。

1 軟件程序設(shè)計
    根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，將程序部分設(shè)計分為5個模塊，包括分頻模塊、DS18B20通信模塊、控制模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊，如圖1所示。利用VHDL語言在QuartusII開發(fā)平臺上完成程序設(shè)計。

1．1 分頻模塊
    分頻模塊是FPGA設(shè)計項目中的基本模塊之一。針對50MHz的時鐘頻率進行分頻產(chǎn)生1MHz頻率信號，分頻模塊如圖2所示。

    系統(tǒng)提時鐘信號進入分頻模塊clock引腳，經(jīng)過分頻后得到信號從clk 1m輸出。分頻模塊仿真結(jié)果如圖3所示。
    由圖3可知，輸入端的50MHz時鐘信號被50分頻后得到輸出端的1MHz信號。
1．2 DS18B20通信模塊
    圖4中時鐘clock為輸入端口，DS18820數(shù)據(jù)總線口dq[0．．0]為雙向端口，使能端enable為輸出端口，led[11．．1]為測試時的指示端口，在實際操作中無需接出。

    DS18B20采用一根I／O總線讀寫數(shù)據(jù)，因此它對讀寫數(shù)據(jù)位有嚴(yán)格的時序要求，如圖5所示。

    從分頻模塊的clk_1m輸出1MHz到通信模塊的clock作為時鐘信號；根據(jù)DS18B20所遵循的初始化時序、讀時序、寫時序等通信協(xié)議將程序完成；將獲取的12位的溫度信號傳送給下一個模塊。
1．3 控制模塊
    通過控制模塊，將從DS18B20讀取的二進制溫度信息傳給數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊，如圖6所示。

    程序中設(shè)定了三個狀態(tài)(清除clear、使能enable、顯示display)，當(dāng)ena為‘1’時，狀態(tài)從顯示轉(zhuǎn)到清除；ena為‘0’時，狀態(tài)一直為顯示，把輸入數(shù)據(jù)win[11．．1]從輸出端口wout[11．．1]輸出到下一模塊，之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖7所示。

    控制模塊仿真結(jié)果如圖8所示。
    圖8中，clock輸入為1 MHz信號，經(jīng)過500分頻后，得到頻率為1kHz的信號clk lk，此時累加器cnt0為‘0’。當(dāng)cnt0為‘1’時，系統(tǒng)狀態(tài)由原來的清除狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭鼓軤顟B(tài)，此時enb為‘1’，cnt0進行累加；當(dāng)cnt0=‘1’時，系統(tǒng)狀態(tài)從使能狀態(tài)轉(zhuǎn)變到顯示狀態(tài)，系統(tǒng)就把win[11．．1]輸入的數(shù)據(jù)通過wout[11．．1]輸出到下一模塊。
1．4 數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊
    利用數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊將輸入的11位二進制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3位十進制表示，如圖9所示。

    圖9中，clear為清零輸入端口，enable為使能輸入端口，indata[11．．1]為數(shù)據(jù)輸入端口，b1『3．．0]、b2[3．．0]、b3[3．．0]為三個輸出端口。如果clear輸入信號為‘1’時，程序?qū)⑶宄龝捍婕拇嫫髦袛?shù)據(jù)；反之則不清除。enable輸入信號出現(xiàn)上升沿時，程序開始進行數(shù)制轉(zhuǎn)換，并通過b1[3．．0]、b2[3．．0]、b3[3．．0]端口將得到的十進制數(shù)輸出到相應(yīng)的顯示模塊中。數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊仿真見圖10。

    由圖10知，輸入數(shù)據(jù)為“010011 10000”，clear端為低電平，當(dāng)enable信號有上升沿時，數(shù)據(jù)開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)為b1=0、b2=9、b3=3，符合設(shè)計值。
1．5 顯示模塊
    從數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊輸出的十進制數(shù)接入到顯示模塊中，將其譯碼為七段值，輸出到共陰數(shù)碼管上顯示，模塊如圖11所示。

    由圖12可知，當(dāng)輸入為0時，輸出為“1111110”；當(dāng)輸入為1時，輸出為“0000110”；當(dāng)輸入為2時，輸出為“1101101”；當(dāng)輸入為3時，輸出為“1111001”等，在七段數(shù)碼管上正好顯示相同數(shù)字，表明所編寫的程序正確。

1．6 總體電路框圖
    整體電路圖如圖13所示。

    輸入50MHz信號接入分頻模塊的clock端口，經(jīng)過分頻后的信號輸入到DS18B20通信和數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊的clock端，作為模塊的時鐘信號。DS 18B20將測得的溫度數(shù)據(jù)傳給控制模塊的win[11．．1]，通過數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3位十進制表示，最后利用顯示模塊譯碼后由共陰數(shù)碼管顯示。

2 硬件電路設(shè)計
    設(shè)計采用FPGA器件和DS18B20實現(xiàn)溫度測量儀，F(xiàn)PGA電路板主要由FPGA器件、時鐘電路、下載電路、電源電路、顯示電路、指示燈和按鍵等構(gòu)成。核心芯片采用ALTERA公司生產(chǎn)的CycloneII系列EP2C5T144C8芯片。在設(shè)計溫度傳感器部分時，由于DS18B20進行精確轉(zhuǎn)換時需要I／O引腳保持大電流供電，這樣對FPGA芯片引腳造成很大壓力，所以要使DS18B20的VDD引腳接外部電源。電路框圖如圖14所示。

3 下載調(diào)試
    選擇下載FPGA芯片為EP2C5T144C8，在菜單中選擇Pins項設(shè)定引腳，在彈出的窗口中設(shè)置好各個輸入輸出端與硬件相對應(yīng)的引腳，并編譯通過。
    將FPGA的下載數(shù)據(jù)線一端連接FPGA電路板，一端接計算機USB口，在命令欄里Programmer項，在彈出的窗口中選擇Hardware Setup，確認(rèn)計算機已與DE2板連接好后，點擊Start開始下載運行。

    連接好DS18B20溫度傳感器電路，即可測量室內(nèi)溫度，實物電路圖如圖15所示。由實測知，當(dāng)前室溫為24．2℃。

4 結(jié)束語
    本文利用FPGA與DS18B20設(shè)計并實現(xiàn)了一種用于檢測室溫的簡易的數(shù)字溫度測量儀。在QuartusII開發(fā)平臺上，利用VHDL語言完成軟件程序設(shè)計，并完成硬件電路板設(shè)計，最后下載驗證。實現(xiàn)的測量儀具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精確性高、使用方便、擴展性能好的優(yōu)點。