基于cpld的多功能温度检测系统设计

基于cpld的多功能温度检测系统设计内容摘要：

短开发周期，降低研制成本。 复杂可编程逻辑器件 CPLD 是当今应用最广泛的可编程逻辑器件之一，后者也称为可编程专用集成电路（ ASIC）。 CPLD 的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就大大地提高了数字系统设 计的灵活性和通用性。 硬件描述语言是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字 逻辑系统的语言，它的发展至今已有几十年的历史，并已成功地应用到系统的仿真、验证和设计综合等方面。 有专家认为，在新的世纪中，使用 VHDL 语言来设计数字系统是电子设计技术的大势所趋。 EDA(Electronics Design Automation)即电子设计自动化技术，是一种以计算机为基本工作平台，利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以至人工智能学等多种计算机应用学科的最新成果而开发出来的一整套软件工具，是一种帮助电子设计工程师从事 电子元件产品和系统设计的综合技术。 总的来说，现代 EDA 技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。 它主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，使开发者从一开始就要考虑到产品生成周期的诸多方面，包括质量、成本、开发时间及用户的需求等等。 然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错，并用 VHDL、 Verilog— HDL、 ABEL 等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理 实现级可以是印刷电路板或专用集成电路 [2]。 EDA 工具的发展经历了两个大的阶段：物理工具和逻辑工具。 现在 EDA 和系统设计工具正逐渐被理解成一个整体的概念：电子系统设计自动化。 物理工具用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、印刷电路板布线等等；逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念，首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用 EDA 系统完成综合、仿真、优化等过程，最后生成物理工具可以接受的网表或 VHDL、 Verilog HDL的结构化描述。 现在常见的 EDA工具有编辑器、仿真器、检查／分 析工具、优化／综合工具等等。 VHDL (Very High Speed , Integrated Circuit HDL ，超高速集成电路硬件描述语言 ) 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。 除了含有许多具有硬件特征的语句外， VHDL 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。 VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计 (或称设计实体，可以是一个元件、一个电路模块或一个系统 ) 分成外部 (或称可视部分、端口 ) 和内部 (或称不可视部分 ) ，不可视部分描述了实体的内部功能和算法。 在对 一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用 这个实体。 这种将设计实体分成内外部分的概念是 VHDL 系统设计的基本点。 作为一种标准，几乎所有的综合仿真工具都支持它，在一个地方建立的模型可以在另外一个地方运行。 VHDL 具有很强的行为描述能力，可以避开具体的器件结构从高层次上描述和设计大规模电子系统；具有丰富的宏功能和兆功能库函数，可简化底层设计；具有强大的仿真函数，可进行系统功能可行性的早期证验；具有支持大规模设计的分解和已有设计的共享功能，可满足多人甚至多个工作组共同并行工作高效 、高速设计大规模系统的需要 [3]。 国内外发展状况 EDA 技术已经在电子设计领域得到广泛应用。 发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。 一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、 PCB 版图、单片机程序、机内结构、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到 PCB 钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。 EDA 技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。 EDA 已经 成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。 在国内外现有的电阻式数字温度表，一般采用电桥将电阻转化为电压，经适当放大后，通过 A/D转换器变成温度的数字信号。 由于电桥输出与温度并非线性关系，放大环节还需进行线性化修正。 这种方式电路复杂，成本高，同时还须精密恒压源辅助作用。 另外，现今很多数字温度计都是用单片机设计的。 用我们的CPLD制作的温度计 与其它实现方法如单片机相比，它将单片机用以实现运算的硬件电路以软件的形式下载到芯片中，例如单片机要用两级运放来实现乘与减的运算，而用 CPLD实现的系统只用 VHDL语言在芯片内部编程即可，降低了系统电路的复杂程度。 而且， CPLD在 设计过程中可用有关软件进行各种仿真，以确保设计的正确性。 2 VHDL 及 MAXPLUSⅡ 平台介绍 VHDL 的介绍 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）诞生于 1982年。 1987年底， VHDL被 IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。 这种语的成就有两个方面：描述复杂的数字电路系统和成为国际的硬件描述语言标准。 VHDL主 要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口，是一种快速的电路设计工具，功能涵盖了电路描述，电路合成，电路仿真等三大电路设计工作。 它用于设计复杂的、多层次的设计。 支持设计库和设计的重复使用，与硬件独立，一个设计可用于不同的硬件结构，而且设计时不必了解过多的硬件细节。 有丰富的软件支持 VHDL的综合和仿真，从而能在设计阶段就能发现设计中的Bug，缩短设计时间，降低成本。 更方便地向 ASIC过渡。 VHDL有良好的可读性，容易理解，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。 在新的世纪中，VHDL语言将承担起大部分 的数字系统设计任务 [3]。 Max+plusII 的介绍 Max+plusII(或写成 Maxplus2,或 MP2) 是 Altera 公司推出的的第三代 PLD开发系统 (Altera 第四代 PLD 开发系统被称为： QuartusII，主要用于设计新器件和大规模 CPLD/FPGA).使用 MAX+PLUSII 的设计者不需精通器件内部的复杂结构。 设计者可以用自己熟悉的设计工具（如原理图输入或硬件描述语言）建立设计， MAX+PLUSII 把这些设计转自动换成最终所需的格式。 其设计速度非常快。 对于一般几千门的电路设计，使用 MAX+PLUSII，从设计输入到器件编程完毕，用户拿到设计好的逻辑电路，大约只需几小时。 设计处理一般在数分钟内内完成。 特别是在原理图输入等方面， Maxplus2 被公认为是最易使用，人机界面最友善的 PLD 开发软件，特别适合初学者使用。 通常可将 FPGA/CPLD 设计流程归纳为以下 7 个步骤，这与 ASIC 设计有相似之处。 在传统设计中，设计人员是应用传统的原理图输入方法来开始设计的。 自 90 年代初， Verilog、 VHDL、 AHDL等硬件描述语言的输入方法在大规模设计中得到了广泛应用。 （功能仿真）。 设计的电路必须在布局布线前验证电路功能是否有效。 （ ASCI 设计中，这一步骤称为第一次 Signoff） PLD 设计中，有时跳过这一步。 设计输入之后就有一个从高层次系统行为设计向门级逻辑电路设转化翻译过程，即把设计输入的某种或某几种数据格式 (网表 )转化为软件可识别的某种数据格式 (网表 )。 对于上述综合生成的网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小更快的综合结果代替一些复杂的单元，并与指定的库映射生成新的网表，这是减小电路规模的一条必由之路。 在 PLD 设计中， 35 步可以用 PLD 厂家提供的开发软件（如 Maxplus2）自动一次完成。 （时序仿真）需要利用在布局布线中获得的精确参数再次验证电路的时序。 （ ASCI 设计中，这一步骤称为第二次 Sign—off）。 布线和后仿真完成之后，就可以开始 ASCI 或 PLD 芯片的投产。 同样，使用 Maxplus2 基本上也是有以上几个步骤，但可简化为： 3 原理和方案论证 功能原理 器件在工作时 ,先启动控制模块 ,它对一次模 数转换的控制由四个状态组成。 在状态 S0,选定 AD 转换器 ,为模数转换做准备； 在状态 S1,使 AD 转换器进行转换 , 当 INTR 信号端由高电平转为低电平时 ,模数转换结束进入下一状态 S2,为读取转换结果做准备；在状态 S3, FPGA 读取模数转换结果。 接着 ,计算模块工作 ,求出二进制模数转换数据的 12 位 BCD 码。 最后 ,启动显示驱动模块 ,将BCD 码用数码管显示的数字电压值。 功能电路说明分为三大模块 :(1)控制模块 ,激活 A /D 转换器动作、接收 A /D 转换器传递过来的数字转换值。 (2)数据处理模块 ,将接收到的转换值调 整成对应的数字信号，并送到 FPGA 以待运算和处理。 (3)显示模块 ,产生数码管的片选信号 ,并将数值处理模块输出的 BCD 码译成相应的 7 段数码驱动值。 7 段数码显示器的作用是接收 FPGA转换后的 BCD数据并显示。 FPGA兼有处理和协调作用 ,包括控制 A /D 转换动作、接收 A/D 转换结果及编码、驱动显示等作用。 控制系统 以 CPLD 为核心的，以 VHDL 语言来设计的温度检测电路，可将警戒温度等参数预存进去 ,供脱机工作 (即不与 PC 机相连 ) 时使用。 同时 ,CPLD 芯片技术除了大大减少集成芯片的数目 ,便于对系统进行扩展 ,还可以缩短开发周期降低开发成本 ,同时提高了技术保密性。 与 FPGA 技术相比 ,CPLD 有掉电不易失的优点 ,使用更加方便 [4]。 温度传感器的方案论证 一、温度传感器选用细则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。 当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。 测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1. 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：要进行 — 个具体的测量工 作，首 先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。 因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 2. 灵敏度的选择：通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。 因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大 ，有利于信号处理。 但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。 因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的串扰信号 3. 频率响应特性：传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有 — 定延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因 为 频率低的传感器可测信号的频率较低。 4. 线性范围：传感器的线形范围是 指输出与输入成正比的范围。 以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。 传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。 在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。 当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5. 稳定性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。 影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。 因此 ，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 6. 精度：精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。 传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的 精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。 这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 二、提出不同方案 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器 即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。 自制传感器的性能应满足使用要求。 方案一：热电偶，热电偶是利用塞贝克效应制成的温度传感器。 把两种不同的金属连在一起，当接点处温度变化时，就在相应电路中产生温差电动势。 实际应。