基于FPGA的具有數(shù)字顯示的水溫測控系統(tǒng)

摘要：電壓、電流、溫度等模擬量的監(jiān)測在工業(yè)生活中都有很廣泛的應用，通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，可以對其進行及時調(diào)整，為人們的生產(chǎn)生活帶來了便利與保證。系統(tǒng)主電路采用Actel公司提供的Fusion系列FPGA，用以實現(xiàn)溫度控制。由于加熱和制冷部分的條件限制，只采用模擬的方式。電路可實現(xiàn)溫度的顯示，設(shè)置上、下限溫度，超出范圍報警以及與PC機通信的功能。系統(tǒng)測量精度和控制精度良好。同時，基于FPGA的硬件系統(tǒng)設(shè)計方法操作簡單，開發(fā)成本較低，已成為當今世界上嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)的主流方法之一。
關(guān)鍵詞：Fusion；內(nèi)部的溫度監(jiān)控模塊；ADC模塊；OLED顯示

    測控技術(shù)自古以來就是人類生活和生產(chǎn)的重要組成部分。隨著科技的發(fā)展，測控技術(shù)已進入了全新的時代。近年來。電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得計算機廣泛用于自動檢測和自動控制系統(tǒng)中，以致電壓、電流、溫度等的監(jiān)測越來越重要，現(xiàn)在利用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號的情況也越來越多，但數(shù)字系統(tǒng)所處理的信號都是不連續(xù)的數(shù)字信號，而待測的電壓、電流、溫度等都是模擬量，這就需要將監(jiān)測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最終由系統(tǒng)進行處理。Actel公司出產(chǎn)的新型FPGAFusion系列解決了數(shù)／模轉(zhuǎn)換及上電不可運行等一系列難題。Actel公司宣布推出全新的Fusion融合技術(shù)，為解決混合式信號的方案帶來真正可編程功能的嶄新技術(shù)。融合技術(shù)率先將混合信號的模擬功能、FLASH內(nèi)存和FPGA結(jié)構(gòu)集成于單片可編程系統(tǒng)芯片中。融合技術(shù)將可編程邏輯的優(yōu)勢帶進應用領(lǐng)域中，而這些應用領(lǐng)域直至目前只能采用分立模擬元件和混合信號ASIC供應商提供的器件。與此同時，當融合技術(shù)與Actel的ARM7和以8051為基礎(chǔ)的軟MCU內(nèi)核共用時，可作為終極的軟處理器平臺。這項新技術(shù)能發(fā)揮Actel以FLASH為基礎(chǔ)FPGA的獨特優(yōu)勢，包括高絕緣性、三井結(jié)構(gòu)和支持高壓晶體管的能力，以滿足混合信號系統(tǒng)設(shè)計的嚴格要求。

1 方案選擇
    該系統(tǒng)若根據(jù)要求可有多種實現(xiàn)方案。
    方案一 該方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案。選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，當反饋的溫度值與設(shè)定值比較后，決定加熱或不回熱。但它使系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實現(xiàn)復雜的控制算法，不能用數(shù)碼顯示，不能用鍵盤設(shè)定。
    方案二 該方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案。其基本思想與方案一相同，但由于采用上、下限比較電路，所以控制精度提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)復雜的控制算法，而使控制精度做得較高，此外仍不能用數(shù)碼顯示和鍵盤設(shè)定。
    方案三 該方案采用CortexM1 FPGA系統(tǒng)來實現(xiàn)。系統(tǒng)硬件用單芯片完成多方面功能，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，還可實現(xiàn)數(shù)碼顯示和鍵盤設(shè)定等多種功能，系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。

    方案一和方案二是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較麻煩。方案三是采用以CortexM1為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，它能達到模擬控制達不到的控制效果，且可實現(xiàn)顯示、鍵盤設(shè)定等多種功能，又易于擴展，大大提高了系統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)所測結(jié)果精度大大提高。故選擇方案三。[!--empirenews.page--]

2 器件介紹
    該系統(tǒng)采用的處理器核為32位ARM CortexM1，它是ARM與Actel合作開發(fā)，是首個專門針對FPGA應用而設(shè)計的ARM處理器。CortexM1處理器的運行速度高達68 MHz，可用4 353個邏輯單元(Tiles)來實現(xiàn)。CortexM1處理器采用三級流水線結(jié)構(gòu)，其指令集使用了經(jīng)典的Thumb-2指令集中一個子集，所以無需更改，即可利用現(xiàn)有的Thumb代碼。配置的CortexM1處理器可以連接到先進高性能總線(AHB)上，使得設(shè)計工程師能夠構(gòu)建自己的子系統(tǒng)，并能輕易增添外設(shè)功能。
2．1 數(shù)據(jù)采集部分
    傳感器部分既可采用熱敏電阻，也可采用集成的溫度傳感器。由于熱敏電阻的精度、重復性、可靠性都比較差，為了配合開發(fā)板的需求，在此采用晶體管作為溫度傳感器。系統(tǒng)溫度檢測數(shù)據(jù)采集部分原理如圖2所示。

    這里溫度傳感器采用的是晶體管2N3904，它是雙極型晶體管，在使用中要按照圖2所示，將其集電極與基極連接起來使用。晶體管的溫度將會影響PN結(jié)上電流與電壓的關(guān)系，這是Fusion器件能夠?qū)崿F(xiàn)溫度監(jiān)控的理論基礎(chǔ)。送到A／D轉(zhuǎn)換器的電壓VADC由下面的公式可以得出：

式中：n為晶體管的理想系數(shù)。設(shè)計中，2N3904的n=1．008，近似取1。C為模塊中ADC的放大倍數(shù)，C=12．5；I，i為模塊中用到的兩個電流源，I=100μA，i=1OμA；k為波爾茲曼常量，k=1．3806×10-23J／K；q為質(zhì)子的電量，q=1．602×10-19C，正因為采用的q，所以ADC測得溫度值單位為開爾文(Kelvin)；T為系統(tǒng)要測量的溫度，此處為傳感器所測量溫度。
2．2 鍵盤控制和控制電路
    因為系統(tǒng)在運行時可以與PC通信，故可直接使用PC機設(shè)定上、下限溫度值，不需要額外設(shè)計鍵盤電路。但是由于條件有限，對于加熱和冷卻系統(tǒng)可采用簡單的模擬方式實現(xiàn)，通過系統(tǒng)給定信號驅(qū)動繼電器電路，完成加熱和冷卻效果，并且在超出范圍后進行報警。[!--empirenews.page--]
2．3 數(shù)字顯示
    該系統(tǒng)采用較先進的液晶顯示屏對結(jié)果進行顯示，形象直觀。這里采用的是有機電致發(fā)光器件(Organic Light Emitting Device。OLED)SSD1303T6。OLED相對于液晶顯示器LCD來說，其主要優(yōu)勢在于驅(qū)動電壓低，功耗小，主動發(fā)光，平板超薄，響應速度快，工藝相對簡單等。 SSD1303是晶門公司采用TAB封裝的單色OLED模組。這種基于CMOS工藝的驅(qū)動IC集成了行、列驅(qū)動器、控制器和SRAM，可支持的最大分辨率為132×64，可以顯示4色區(qū)域色，并可編程實現(xiàn)256灰度．可實現(xiàn)水平滾動顯示。SSD1303提供有6800，8080，SPI等用于與微處理器(MCU)進行通信的顯示接口模式。該設(shè)計中采用SPI接口進行通信。由于OLED控制芯片中未包含字庫，這里自行設(shè)計了字庫，采用8×8點陣顯示。字庫設(shè)計范例如圖3所示，其為字符“C”的字庫模型。

    該設(shè)計中所需字符比較簡單，按照需要自行設(shè)計了字符“O～9”，“．”，“：”，“T”。由于字庫較小，采用數(shù)組方式存放數(shù)據(jù)。如下程序所示。
{0x00，0x00，0x00，0x00，0xff，0x00，0x00，0x00}， ／／[1]
{0x00，0x00，0xf1，0x91，0x91，0x8f，0x00，0x00}， ／／[2]
{0x00，0x00，0x91，0x91，0x91，0xff，0x00，0x00}， ／／[3]
{0x00，0x00，0x1f，0x10，0x10，0xff，0x00，0x00}， ／／[4]
{0x00，0x00，0x9f，0x91，0x91，0xf1，0x00，0x00}， ／／[5]
{0x00，0x00，0xff，0x91，0x91，0xf1, 0x00, 0x00}， ／／[6]
{0x00，0x00，0x01，0x01，0x01，0xff，0x00，0x00}, ／／[7]
{0x00，0x00，0xff，0x91，0x91，0xff，0x00，0x00}， ／／[8]
{0x00，0x00，0x8f，0x89，0x89，0xff，0x00，0x00}． ／／[9]
{0x04，0x02，0x82，0xfe，0x82，0x02，0x04．0x00}， ／／T[10]
{0x00，0x60，0x60，0x00, 0x00，0x00，0x00，0x00}， ／／.[11]
{0x00，0x6c，0x6c，0x00，0x00，0x00．0x00．0x00}， ／／:[12]
}；

3 系統(tǒng)設(shè)計
    這里設(shè)計的溫度測控系統(tǒng)采用Actel公司的SoPC解決方案，它基于嵌入式軟核CortexM1核，在性能上CortexM1可滿足當前大部分嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計。該系統(tǒng)的主電路采用Actel公司提供的Fusion系列FPGA，實現(xiàn)溫度控制，由于加熱和制冷部分條件的限制，只采用模擬方式。電路可實現(xiàn)溫度顯示，設(shè)置上、下限溫度，超出范圍報警以及與PC機通信的功能。系統(tǒng)測量精度和控制精度均良好。[!--empirenews.page--]
3．1 硬件設(shè)計原理
    系統(tǒng)的硬件平臺大致可分為以下幾個功能模塊：模擬輸入模塊、微處理器及其外圍模塊、UART模塊、時鐘產(chǎn)生模塊、PWM模塊。這些功能模塊都由Actel公司提供的知識產(chǎn)權(quán)核(IP核)組成。在Coreconsole中，將各個模塊配置，通過模塊的總線接口與系統(tǒng)總線AHB，APB互聯(lián)。最終的結(jié)果如圖4所示。其中，右上角的信號連接為連接到頂層模塊的信號。

    如圖4所示，其中CortexM1為微處理器核，負責處理采集到數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應的控制信號給外圍控制電路；CoreAHBNvm為控制FLASH的軟核，使系統(tǒng)上電即可運行，掉電不丟失；CoreAI為模擬輸入模塊，負責將外圍采集的模擬信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。交由處理器處理；Coreu- ARTapb為串口通行核，負責將處理的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC，使其能實時交互和控制；Core- GPIO和CoreGPlO_01兩個核為通用I／O核，分別負責OLED的數(shù)據(jù)通信和外圍控制信號的輸出。
    系統(tǒng)的外圍溫度超過上限報警和加熱模擬的電路如圖5所示。

3．2 軟件設(shè)計部分
    系統(tǒng)主要功能是將系統(tǒng)采集到的模擬信號通過硬件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送到PC的超級終端加以顯示出來；并且可在系統(tǒng)運行初始階段設(shè)置溫度的上、下限值，在超出溫度范圍時報警，且產(chǎn)生相應的控制信號進行加熱或者冷卻。各個模塊的運行由微處理器CortexM1進行協(xié)調(diào)。系統(tǒng)不斷監(jiān)測模擬輸入端，如果模擬輸入有變化，就進行A／D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果發(fā)送給CortexM1；CortexM1再將接收到的結(jié)果在規(guī)定時間內(nèi)通過UART發(fā)送到PC的超級終端顯示和在系統(tǒng)配接的OLED屏上彩色顯示。
    該設(shè)計的系統(tǒng)應用軟件是在Actel公司的SoftConsole開發(fā)平臺上完成的。由于程序比較復雜，可以分為幾個子程序，具體包括：對CoreUART，CoreAI，LED屏等的初始化配置，以及主要功能中CortexM1．c主程序的完成。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

4 結(jié) 語
    經(jīng)實際調(diào)試與運行，超級終端上得到了監(jiān)測到的溫度值，并且能實現(xiàn)溫度超出范圍時報警和正常控制下實現(xiàn)加熱和冷卻的效果。該設(shè)計能實時測量并顯示溫度值，且精度高，反應快，達到了預期設(shè)計目標。