基于fpga的热电偶温度巡检仪的设计(编辑修改稿)

基于fpga的热电偶温度巡检仪的设计(编辑修改稿)内容摘要：

OM。 （ 3） FPGA 的编程数据不便于保密。 EDA 设计流程 图 是基于 EDA 软件的 FPGA/CPLD 开发流程框图，以下将分别介绍各 设计模块的功能特点。 对于目前流行的 EDA 工具软件， 图 的设计流程具有一般性。 原 理 图 / H D L 文 本 编 辑综 合F P G A / C P L D适 配时 序 仿 真F P G A / C P L D编 程 下 载F P G A / C P L D器 件 和 电 路 系统 图 应用 于 FPGA/CPLD 的 EDA 开发流程 内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) 6 设计输入 将电路系统以一定表达方式输入计算机，是在 EDA 软件平台上对 FPGA/CPLD 开发的最初步骤。 通常，使用 EDA 工具的设计输入可分为两种类型。 1． 图形输入 图形输入通常包括原理图输入、状态图输入和波形图输入三种常用方式。 原理图输入法类似与传统电子设计方法的原理图编辑输入方式，即在 EDA 软件的图形编辑界面上绘制能完成特定功能的电路原理图。 原理图由逻辑器件（符号）和连接线构成，图中的逻辑器件可以是 EDA 软件库中预制的功能模块，如与门、或门、非门、触发器以及各种 74 系列 器件功能的宏功能块，甚至还有一些类似于 IP 的功能块。 原理图编辑绘制完成后，原理图编辑器将会对输入的图形文件进行排错，之后再将其编译成适用于逻辑综合的文件。 状态图输入法就是根据电路的控制条件和不同的转换方式，用绘图的方法，在 EDA工具的状态图编辑器上绘出状态图，然后由 EDA 编辑器和综合器将此状态变化流程图编译综合成电路网表。 波形图输入发则是将待设计的电路看成是一个黑盒子，只需告诉 EDA 工具黑盒子电路的输入和输出时序波形图， EDA 工具即能根据此完成黑盒子电路的设计。 2． HDL 文本输入 这种方式与传统的计 算机然间语言编译输入基本一致。 就是将使用了某种硬件描述语言的电路设计文本，如 VHDL，进行编辑输入。 可以说，应用 HDL 的文本输入方法克服了上述原理图输入法存在的所有弊端，为EDA 技术的应用和发展打开了一个广阔的天地。 综合 一般来说，中和是仅对 HDL 而言的。 利用 HDL 综合器对设计进行综合是十分重要的一部，因为综合过程将把软件设计的 HDL 描述与硬件结构挂钩，是将然间转化为硬件电路的关键步骤，是文字描述与硬件实现的一座桥梁。 综合就是将电路的高级语言转换成低级语言。 整个综合过程就是将设计者在 EDA 平台上编辑输入的 HDL 文本、原理图或状态图形描述，依据给定的硬件结构组件和结束控制条件进行编译、优化、转换和综合，最终内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) 7 获得门级电路甚至更底层的电路描述网表文件。 适配 适配器也称结构综合器，它的功能是将由综合器生成的网表文件配置于指定的目标器件中，使之 长生 最终的下载文件，如 JAM 格式的文件。 适配所选定的目标器件必须属于原综合器指定的目标器件系列。 适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、逻辑布局布线操作。 适配完成后可以利用适配所产 生的仿真文件作精确的时序仿真，同时长生可用于编程的文件。 时序仿真 在编程下载前必须利用 EDA 根据对适配生成的结果进行模拟测试，就是所谓的仿真。 仿真就是让计算机根据一定的算法和一定的仿真库对 EDA 设计进行模拟，以验证设计，排除错误。 仿真是在 EDA 设计过程中的重要步骤。 时序仿真就是接近真实器件运行特性的仿真，仿真文件中已包含器件硬件特性参数，因而，仿真精度高。 但时序仿真的仿真文件必须来自针对具体器件的综合器与适配器。 编程下载 把适配后生成的文件或配置文件，通过编程器或编程电缆向 FPGA 或 CPLD 下载，以便进行硬件调试和验证。 FPGA 与 CPLD 的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。 通常的分类方法是： （ 1） 将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为 CPLD， 如 Lattice 的 ispLSI系列 、 Xilinx 的 XC9500 系列、 Altera 的 MAX7000S 系列和 Lattice(原 Vantis)的 Mach系列等。 （ 2） 将以查表法结构方式构成逻辑行为的器 件称为 FPGA， 如 Xilinx 的SPARTAN 系列、 Altera 的 FLEX10K 或 ACEX1K 系列等。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) 8 硬件测试 最后是将含有载入了设计的 FPGA 或 CPLD 的硬件系统进行统一测试，以便最终验证设计项目在目标系统上的设计工作情况，以排除错误，改进设计。 VHDL硬件描述语言介绍 VHDL 的英文全名是 VeryHighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language， 诞生于 1982 年。 1987 年底 ， VHDL 被 IEEE(The Institute of Electricaland Electronics Engineers)和美国国防部确认为标准硬件描述语言。 自 IEEE 公布了 VHDL 的标准版本 (IEEE1076)之后 ， 各 EDA公司相继推出了自己的 VHDL设计环境。 此后 ， VHDL在电子设计领域受到了广泛的接受 ， 并逐步取代了原有的非标准 HDL。 1993 年 ， IEEE对 VHDL 进行了修订 ， 从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展 VHDL 的内容 ， 公布了新版本的 VHDL， 即 IEEE 标准的 10761993 版本。 现在 ， VHDL 和 Verilog 作为 IEEE的工业标准硬件描述语言 ， 又得到众多 EDA 公司的支持 ， 在电子工程领域 ， 它已成为事实上的通用硬件描述语言。 有专家认为 ,在新的世纪中 ， VHDL 与 Verilog 语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务。 VHDL 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。 与其它的 HDL 相比 ， VHDL 具有更强的行为描述能力 ， 从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。 强大的行为描述能力是避开具体的器件结构 ， 从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 就目前流行的 EDA 工具和 VHDL 综合器而言 ， 将基于抽象的行为描述风格的 VHDL 程序综合成为具体的 FPGA 和 CPLD 等目标器件的网表文件已不成问题。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) 9 第三章 温度巡检仪总体方案设计 基于单片机的温度巡检仪 方案一： 根据目前智能仪表的一般特点 ， 系统的原理结构框图如图 所示。 1 P T 1 0 0恒流源及信号切换仪用放大程控偏置放大A / D转 换单 片 机键 盘 / 显 示存 储 电 路通 信 电 路报 警 输 出电 源 电 路2 P T 1 0 07 P T 1 0 03 P T 1 0 04 P T 1 0 05 P T 1 0 06 P T 1 0 08 P T 1 0 0 图 温度巡检仪原理结构图 从图 可知系统主要包括构成智能测量系统核心的微处理器、检测温度的敏感元件 — 热电阻式温度传感器 Pt100、信号的采集电路 — 恒流源电路、信号的切换及偏置放大电路、 A/D 转换电路、显示输出 电路、通信电路、存储电路以及电源电路。 信号的切换是为本系统多路要求而设置的 ， 程控偏置的原因是考虑温度测量的范围较宽 ， 如果不加该级电路会造成整个测量系统分辨力不高而降低测量精度。 方案二： 巡检系统 如图 所示， 主要由微控制芯片 AT89C2051 和数字温度传感器 DS18B20构成。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) 10 1 2 M 晶 振A T 8 9 C 2 0 5 1D S 1 8 B 2 0复 位 电 路数 码 管 显 示D S 1 8 B 2 0报 警 电 路V c c4 . 7 k1 N 图 多点温度巡检系统 测温部分的电路 比较 简单 ， 温度信号由数字温度传感器 DS18B20 采集 ， 在其内部直接完成 A/D 转换 ， 通过单总线输出数字信号送入 AT89C2051 进行处理。 通过对外界温度进行测量 ， 主要完成数据的采集、处理、显示、报警等功能。 DS18B20 的供电方式为外部电源。 当 DS18B20 处在存储器操作和温度 A/D 变换操作时 ， 总线上必须有强的上拉。 为保证在有效的 DS18B20 时钟周期内提供足够的电流 ， 在电源线与信号线之间加上一个 的上拉电阻。 多点温度巡检系统原理图如图 所示。 在系统安装及工作之前必须将主机逐个与 DS18B20 挂接 ， 从激光 ROM 中读出其序列号 ， 然后分别赋予在系统中的编号 1~N。 其工作过程为 ： 主机发出一个脉冲 ， 待“ 0”电平大于 480us 后 ， 复位 DS18B20,在 DS18B20 所发响应脉冲由主机接收后 ， 主机再发读 ROM 命令代码 33H， 然后发一个脉冲 (≥ 15us)， 并接着读取 DS18B20 序列号的一位。 用同样的方法读取序列号的 56 位。 系统软件设计采用模块化设计 ， 程序采用汇编语言编程 ， 系统功能由复位子程序、读 /写子程序、温度转换子程序、显示子程序、报警子程序等来完成。 基于虚拟仪器的温度巡检仪 如图 所示，此系统是基于 AT89S51 为主机，它相当于一般用于数据采集卡系统中的数据采集卡，两个数字式单总线传感器 DS18B20 从器件，替换 了传统的温度传感器，构建一个四 路温度的巡回测量功能，温度值通过 四 个四位数码管显示，并通过 RS232接口将温度数据送上位机处理，利用上位机软件 LabVIEW 完成了数据采集、显示、分内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) 11 析及处理，从而构建了一个四 路温度测量系统，该系统采用单片机替代了价格昂贵的数据采集板卡实现了对温度的采集与测量。 D S 1 8 B 2 0D S 1 8 B 2 0A T 8 9 S 5 1L E D 1L E D 4L a b V I E WP C........ 图 多路温度巡回检测系统框图 总体方案选择与设计 本设计选择了基于 FPGA 的两种方案。 方案一： 如图 所示 ，此总体方案基于 LPM_ROM 设计而成。 c r y s t a lx 0x 1x 2x 3y 0y 1y 2y 3XYXYT +T O ED A T AS T A R TA D O ED A T AA D S T A R TA D C L KO U T _ D A T AD A T AD I S P L A YD I S P L A YD I S P L A YC L KL P M _ R O MA / D ( 0 8 0 9 )A D C 0 8 0 9C D 4 0 5 2F P G A ( E P F 7 1 2 8 S )L E D D r v i e rL E D 1L E D 2L E D 3放 大电 路C D 4 0 5 2D I S P L A YL E D 3A D C 0 8 0 9AI N 图 总体 方框图 从图 可知 ， 系统主要包括 FPGA 芯片 、检测温度的 热电偶 温度传感器、 多路选内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) 12 择 芯片 CD405信号放大电路、 A/D 转换电路、显示输出电路及键盘电路。 此设计 是对 四路温度 巡检 ，将采集信号送入 多路选择器件 CD4052（可进行信号切换）， 经冷端补偿后的信号与测量端信号 经过放大电路将模拟信号放大，经 A/D 转换后送入芯片 ，最终显示。 冷端温度补偿采用 电桥补偿 电路。 方案二： 如图 所示 ，此总体方案主要基于 MAX6675 芯片设计而成。 c r y s t a lx 0x 1x 2x 3y 0y 1y 2y 3XYXYT +T S C KS OC SA D S C KD A T AA D C SA D C L KO U T _ D A T AS t r i n g i n t oP a r a l l e l o u tC L KI ND I S P L A YD I S P L A YD I S P L A YS E R D E SA / D ( M A X 6 6 7 5 )M A X 6 6 7 5C D 4 0 5 2F P G A ( F L E X 1 0 K )L E D D r v i e rL。