基于FPGA智能溫度傳感器監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)計

王曉鵬

摘要：溫度的測量和監(jiān)控在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有著廣泛的應(yīng)用，本文基于FPGA工作過程設(shè)計出一套以智能傳感器為監(jiān)測元件的溫度監(jiān)控報警系統(tǒng)，通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，搭建系統(tǒng)模型，最終實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)控和閾值報警。

關(guān)鍵詞：閾值；差分技術(shù)；時序建模；FPGA

中圖分類號：TN791 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0148-01

隨時科技的進步和社會的發(fā)展，各類行業(yè)乃至科學(xué)研究都需要對溫度的檢測和監(jiān)控，本文主要基于FPGA技術(shù)結(jié)合溫度傳感器DS18B20進行溫度監(jiān)控和報警，該監(jiān)控報警系統(tǒng)由FPGA芯片、溫度傳感器?？旌蛨缶刂颇K三個部分組成，溫度傳感器用來收集現(xiàn)場的溫度信號，溫度信號傳至FPGA芯片后，由芯片進行參數(shù)設(shè)定和閾值比較，然后將相關(guān)的處理結(jié)果送至報警模塊，該溫度報警系統(tǒng)主要特點是智能化、成本低，可在監(jiān)控系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等方面應(yīng)用。

1 元器件及軟件

本溫度傳感器報警系統(tǒng)選用Altera 公司的Cyclone系統(tǒng)的EP1C3t100C8芯片，它的特點是：（1）具有多個存諸器及防擴散信號處理功能；（2）具有存儲器接口設(shè)置電路；（3）支持通用串行總線及網(wǎng)絡(luò)傳輸接口；（4）采用片內(nèi)和片外的系統(tǒng)時序管理模式；5支持差分I/O技術(shù)和Nios II系列的嵌入式處理器；溫度傳感器采用熱敏電阻生成電信號，屬于智能型傳感器，是美國DALLAS半導(dǎo)體公司新近推出的一種傳感器，其型號為DS18B20，可直接顯示出溫度，也可以根據(jù)實際要求實現(xiàn)9-12位的讀數(shù)方式，其引腳功能包括數(shù)字信號輸入端、輸出端、接地端和外接電源輸入端；采用FPGA芯片可以直接面向用戶、測度靈活、具有多樣I/O引腳、可靜態(tài)重復(fù)編程、可在線重構(gòu)等功能；軟件采用Verilog HDL硬件描述語言，它能夠按層次描述數(shù)字系統(tǒng)，可同時進行時序建模，支持的功能強大、易于修改、程序設(shè)計獨立于元器件，具有較強的移植能力，可以實現(xiàn)文件和程序的共享。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的設(shè)計的過程為，外界的溫度信號經(jīng)DS18B20溫度傳感器采集后輸出數(shù)字信號，數(shù)字信號被送入FPGA芯片后對其進行處理，通過譯碼將輸入的二進制轉(zhuǎn)換為十進制，再通過數(shù)碼管進行顯示，輸入的二進制信號被送到比較器中與設(shè)定的閾值信號進行比較，再根據(jù)比較結(jié)果來控制輸入電平的高低，用來實現(xiàn)控制外接元器件。溫度傳感器報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)內(nèi)部框圖

在FPGA設(shè)計過程中采用自上而下的設(shè)計方法，在FPGA內(nèi)部有數(shù)據(jù)處理模塊、時鐘分頻模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊四個模塊，其中數(shù)據(jù)處理模塊完成溫度閾值比較、閾值參數(shù)設(shè)置等功能，數(shù)據(jù)緩存模塊實現(xiàn)對溫度傳感器輸出的串行數(shù)據(jù)進行接收，當(dāng)條件滿足后觸發(fā)相應(yīng)的操作，通過輸入低電平信號對溫度閾值進行修改，時鐘分頻模塊主要完成時鐘信號的分頻工作，將原有的50MHz分頻至1MHz。

外圍電路模塊主要有報警模塊、溫度顯示模塊、時鐘電路模塊、電源模塊，報警模塊、復(fù)位電路、其它配置電路、溫度數(shù)據(jù)寄存器等；其中報警模塊由蜂鳴器和Led報警燈兩部分組成，前者由三極管驅(qū)動電路完成，后者由FPGA芯片發(fā)出高電平信號控制其亮滅。

4 軟件設(shè)計流程

本系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程為：FPGA首先對溫度集成傳感器DS18B20進行初始化，讀取該傳感器的ID號和溫度轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，對CRC校驗碼進行計算以驗證通訊過程的可靠性，當(dāng)所有的溫度信號都訪問結(jié)束后返回到初始狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文主要介紹了基于FPGA數(shù)字溫度傳感報警器的開發(fā)與設(shè)計過程，所設(shè)計的報警器可以精確的采集溫度并且能實現(xiàn)自定義溫度閾值，且溫度超過報警范圍后，采用的FPGA芯片可根據(jù)輸出數(shù)據(jù)和內(nèi)部算法來啟動控制器，以實現(xiàn)對溫度的預(yù)置值報警，分別從硬件設(shè)計方法、模塊功能介紹、軟件設(shè)計程序進行說明，經(jīng)試驗該系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都通過了測試，完成了溫度監(jiān)控及報警的功能。

參考文獻

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