基于FPGA的温度数据实时采集系统.doc

基于FPGA的温度数据实时采集系统摘要:运用传感器技术实时地对一定环境中的温度数据进行采集并通过FPGA进行实时处理并显示。系统采用模块化设计通过固化在模块内部的程序自动对外界温度进行采集和控制并通过数码管实时显示。经测试系统运行稳定维护简便参数误差为0.2%非常适用于多路及多点温度实时采集。关键词:FPGA温度数据采集中图分类号:文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)01-0000-001前言温度是现代生活及生产中常见的参数在工业生产、科研及医疗等需要严格进行温度控制的行业中需要对温度进行实时监控和处理就需要精度和自动化水平高、应用范围广的温度采集系统。FPGA器件高速度、高集成、低功耗、体积小FPGA器件的出现使得数字电路的设计周期和难度都大大减小在数字电路的设计中得到广泛的应用。本设计采用能适应恶劣环境的数字化温度传感器DS18B20采用FPGA芯片作数据处理实现环境温度实时采集及显示。2系统工作原理系统工作原理框图如图1所示主要由温度采集电路、温度数据接收模块、温度数据处理模块、温度显示模块、LED电路组成。温度采集电路中温度传感器为数字温度传感器DS18B20通过传感器实现对外界环境温度的采集FPGA将在60个计数周期内将控制信号传送至温度传感器中使温度传感器将温度信号送出。通过FPGA编程实现实时采集温度传感器的温度数据并实时处理采集到的数据并将其转换为BCD码通过数码管显示出当前的温度。3温度数据接收模块温度数据接收模块与DS18B20温度传感器直接相连用来控制DS18B20的操作并获取数字温度值。本设计只用于测量正常环境温度因此知道100℃以下的温度即可。在读取数据时只用取DS18B20传感器的低12位数据。模块电路原理图如图2所示其中CLK输入为系统时钟信号20MHz分频得到的1MHz同步信号;DS18B20为与传感器相连接的双向端口temp[11..0]为12位数字温度值输出。Temperature0模块的功能是向DS18B20输出控制命令并将DS18B20测得的数字温度信号输出。其中d端口向DS18B20输出控制信号;cont为三态门的使能信号当d向dq端口输出控制命令时cont=1而当dq向FPGA返回信号时cont=0为高阻态而dq端口全程记录DS18B20的状态向FPGA返回测量温度值时temperature0通过此端口将数字值存储输出。4温度数据处理模块温度数据处理模块如图3所示为将12位二进制温度信号数值转换为3个用BCD码表示的十进制数。通过十位(shi[3..0])、个位(ge[3..0])和小数位(fen[3..0])三个端口输出。该模块的作用是将输入的12位二进制温度数据转换成3组二进制BCD码每一组BCD码分别对应代表十位个位十分位十进制数。预先将0.0至99.9之间的所有温度值以0.1摄氏度为步进都在程序CASE语句中列出相当于预先在程序中设置一个查找表这样对于输入的100摄氏度以内的任意温度值都能找到与之对应的BCD码。由于设计中所需要的温度范围不大并且在程序设计上相对简单且程序在运行过程中稳定可靠易于人工对照和查询。温度数据处理模块tempture1的部分VHDL代码片段如下:casetin(11downto4)iswhen"00010111"=>tout(11downto4)<="00100011";when"00011001"=>tout(11downto4)<="00100101";endcase;这部分代码的作用将输入的12位温度信号中的高8位二进制整数部分代码转换为2组4位BCD码。如代码中所示输入二进制码为“00011001”代表十进制数为“25”输出BCD码为“00100101”对应的十进制数为“2”和“5”。casetin(3downto0)iswhen"1100"=>tout(3downto0)<="0111";when"1101"=>tout(3downto0)<="1000";endcase;这部分代码的作用将低4位二进制数小数部分代码转换为4位BCD码。如代码所示输入二进制码为“1101”代表十进制数小数为“0.8125”若只取一位小数位则取“8”其BCD码即“1000”。对数据处理模块tempture1进行仿真测试。预设置输入温度二进制代码为“000110101110”其对应十进制数应为“26.8”。5温度显示模块本设计中采用LED数码管动态显示温度的百位、十位、个位、十分位。温度