基于FPGA的具有數(shù)字顯示的水溫測(cè)控系統(tǒng)

摘要：電壓、電流、溫度等模擬量的監(jiān)測(cè)在工業(yè)生活中都有很廣泛的應(yīng)用，通過(guò)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，可以對(duì)其進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)溫度的顯示，設(shè)置上、下限溫度，超出范圍報(bào)警以及與PC機(jī)通信的功能。系統(tǒng)測(cè)量精度和控制精度良好。同時(shí)，基于FPGA的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法操作簡(jiǎn)單，開發(fā)成本較低，已成為當(dāng)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(cè)控技術(shù)自古以來(lái)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(cè)控技術(shù)已進(jìn)入了全新的時(shí)代。近年來(lái)。電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)廣泛用于自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中，以致電壓、電流、溫度等的監(jiān)測(cè)越來(lái)越重要，現(xiàn)在利用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號(hào)的情況也越來(lái)越多，但數(shù)字系統(tǒng)所處理的信號(hào)都是不連續(xù)的數(shù)字信號(hào)，而待測(cè)的電壓、電流、溫度等都是模擬量，這就需要將監(jiān)測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最終由系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)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(hào)的方案帶來(lái)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(hào)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(shì)帶進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域中，而這些應(yīng)用領(lǐng)域直至目前只能采用分立模擬元件和混合信號(hào)ASIC供應(yīng)商提供的器件。與此同時(shí)，當(dāng)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(shí)，可作為終極的軟處理器平臺(tái)。這項(xiàng)新技術(shù)能發(fā)揮Actel以FLASH為基礎(chǔ)FPGA的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嚴(yán)格要求。

1 方案選擇
    該系統(tǒng)若根據(jù)要求可有多種實(shí)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(dāng)反饋的溫度值與設(shè)定值比較后，決定加熱或不回?zé)?。但它使系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)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(shí)現(xiàn)復(fù)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(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，還可實(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)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(duì)溫度控制，它能達(dá)到模擬控制達(dá)不到的控制效果，且可實(shí)現(xiàn)顯示、鍵盤設(shè)定等多種功能，又易于擴(kuò)展，大大提高了系統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)所測(cè)結(jié)果精度大大提高。故選擇方案三。

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(gè)專門針對(duì)FPGA應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ARM處理器。CortexM1處理器的運(yùn)行速度高達(dá)68 MHz，可用4 353個(gè)邏輯單元(Tiles)來(lái)實(shí)現(xiàn)。CortexM1處理器采用三級(jí)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(gè)子集，所以無(wú)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(jìn)高性能總線(AHB)上，使得設(shè)計(jì)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(fù)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(cè)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?qǐng)D2所示，將其集電極與基極連接起來(lái)使用。晶體管的溫度將會(huì)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(jì)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(gè)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?yàn)椴捎玫膓，所以ADC測(cè)得溫度值單位為開爾文(Kelvin)；T為系統(tǒng)要測(cè)量的溫度，此處為傳感器所測(cè)量溫度。
2．2 鍵盤控制和控制電路
    因?yàn)橄到y(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可以與PC通信，故可直接使用PC機(jī)設(shè)定上、下限溫度值，不需要額外設(shè)計(jì)鍵盤電路。但是由于條件有限，對(duì)于加熱和冷卻系統(tǒng)可采用簡(jiǎn)單的模擬方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)系統(tǒng)給定信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器電路，完成加熱和冷卻效果，并且在超出范圍后進(jìn)行報(bào)警。
2．3 數(shù)字顯示
    該系統(tǒng)采用較先進(jìn)的液晶顯示屏對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示，形象直觀。這里采用的是有機(jī)電致發(fā)光器件(Organic Light Emitting Device。OLED)SSD1303T6。OLED相對(duì)于液晶顯示器LCD來(lái)說(shuō)，其主要優(yōu)勢(shì)在于驅(qū)動(dòng)電壓低，功耗小，主動(dòng)發(fā)光，平板超薄，響應(yīng)速度快，工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(dòng)IC集成了行、列驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)256灰度．可實(shí)現(xiàn)水平滾動(dòng)顯示。SSD1303提供有6800，8080，SPI等用于與微處理器(MCU)進(jìn)行通信的顯示接口模式。該設(shè)計(jì)中采用SPI接口進(jìn)行通信。由于OLED控制芯片中未包含字庫(kù)，這里自行設(shè)計(jì)了字庫(kù)，采用8×8點(diǎn)陣顯示。字庫(kù)設(shè)計(jì)范例如圖3所示，其為字符“C”的字庫(kù)模型。

    該設(shè)計(jì)中所需字符比較簡(jiǎn)單，按照需要自行設(shè)計(jì)了字符“O～9”，“．”，“：”，“T”。由于字庫(kù)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(jì)
    這里設(shè)計(jì)的溫度測(cè)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(dāng)前大部分嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的主電路采用Actel公司提供的Fusion系列FPGA，實(shí)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(shí)現(xiàn)溫度顯示，設(shè)置上、下限溫度，超出范圍報(bào)警以及與PC機(jī)通信的功能。系統(tǒng)測(cè)量精度和控制精度均良好。
3．1 硬件設(shè)計(jì)原理
    系統(tǒng)的硬件平臺(tái)大致可分為以下幾個(gè)功能模塊：模擬輸入模塊、微處理器及其外圍模塊、UART模塊、時(shí)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(shí)產(chǎn)權(quán)核(IP核)組成。在Coreconsole中，將各個(gè)模塊配置，通過(guò)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(hào)連接為連接到頂層模塊的信號(hào)。

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

3．2 軟件設(shè)計(jì)部分
    系統(tǒng)主要功能是將系統(tǒng)采集到的模擬信號(hào)通過(guò)硬件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)UART發(fā)送到PC的超級(jí)終端加以顯示出來(lái)；并且可在系統(tǒng)運(yùn)行初始階段設(shè)置溫度的上、下限值，在超出溫度范圍時(shí)報(bào)警，且產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)進(jìn)行加熱或者冷卻。各個(gè)模塊的運(yùn)行由微處理器CortexM1進(jìn)行協(xié)調(diào)。系統(tǒng)不斷監(jiān)測(cè)模擬輸入端，如果模擬輸入有變化，就進(jìn)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(shí)間內(nèi)通過(guò)UART發(fā)送到PC的超級(jí)終端顯示和在系統(tǒng)配接的OLED屏上彩色顯示。
    該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用軟件是在Actel公司的SoftConsole開發(fā)平臺(tái)上完成的。由于程序比較復(fù)雜，可以分為幾個(gè)子程序，具體包括：對(duì)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(yǔ)
    經(jīng)實(shí)際調(diào)試與運(yùn)行，超級(jí)終端上得到了監(jiān)測(cè)到的溫度值，并且能實(shí)現(xiàn)溫度超出范圍時(shí)報(bào)警和正常控制下實(shí)現(xiàn)加熱和冷卻的效果。該設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示溫度值，且精度高，反應(yīng)快，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。