1、 本科毕业设计（论文） 基于 FPGA 的 多路温度传感器检测器 学 院 计算机学院 专 业 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 2015 年 6 月 摘要 温度是工农业生产过程中最普遍、最重要的操作参数之一。温度的检测和控制都直接与安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系。本 系统 设计的简单实用的多路温度传感监测器，可广泛应用于各种温度控制领域，如发电厂、热电厂、自动化生产线等工业过程的温度监测，大型中央空调设备用户端，以及农业养殖、温棚、温室、干燥房、粮食仓库、井下温度控制、火灾预警等多种场合。本多路温度传感监测器能够实现温度的实时监测与显示，以便于有效的管理。
2、本 系统 基于 FPGA 设计，运用了 IP 核技术、 LCD 显示技术、串口传输技术对多路数字温度传感器 DSl8B20 进行一系列的指令控制、数据采集、存储、分析及数据转换，并最终通过 LCD 显示屏与 PC 端软件显示 。 无论 从抗干扰性，还是从运行可靠性方面，都能达到理想的效果。 本 系统 研究的基于 FPGA 的多路温度传感监测器 最高可与八路 数字温度传感器DSl8 B20 进行连接， 能够 实现 对周围环境的多点温度检测 和动态显示，并能实现自定义温度警报阈值，对超出温度阈值的数据，发出警报提示。 关键词 ： 温度检测， DS18B20， FPGA， IP 核 ， Verilo
3、g HDL Abstract Temperature is one of the parameters of the most common industrial and agricultural production, the most important operation. Temperature measurement and control are directly related to production safety, product quality, production efficiency, energy conservation and other major tech
4、nical and economic indicators linked. The system design is simple and practical multi-channel temperature sensor monitors, temperature control can be widely used in various fields, such as temperature monitoring of power plants, thermal power plants, automated production lines and other industrial p
5、rocesses, large central air-conditioning equipment the client, as well as agriculture and breeding , greenhouses, greenhouses, drying rooms, food storage, underground temperature control, fire alarm and other occasions. The multi-channel temperature sensor monitors to achieve real-time monitoring an
6、d display of temperature in order to facilitate effective management. The system is based on FPGA design, the use of IP core technology, LCD display, serial transmission technology for multi-channel digital temperature sensor DSl8B20 series of commands control, data acquisition, storage, analysis an
7、d data conversion, and finally through the LCD display and PC terminal software displays. In terms of interference, or from operational reliability, can achieve the desired results. Highest FPGA-based multi-channel temperature sensor monitors the system can be connected with the study of eight digit
8、al temperature sensor DSl8B20, the surrounding environment can be achieved multi-point temperature detection and dynamic display, and can implement a custom temperature alarm thresholds for exceeding Data temperature threshold, an alert prompts. Keywords : Temperature Detection, DS18B20,FPGA, IP Cor
9、e, Verilog HDL 目录 1 绪论 . 1 1.1 系统研究背景及目的 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 题目的研究方法 . 2 1.4 论文的构成及研究内容 . 2 2 系统需求分析 . 3 2.1 系统开发环境 . 3 2.2 系统设计思路 . 3 2.3 系统预期效果分析 . 4 3 系统所用工具介绍 . 5 3.1 DS18B20 温度传感器介绍 . 5 3.2 Actel ProAISC3 A3P250 PQ208 FPGA 开发板介绍 . 8 3.3 通用异步收发传输器 (UART)介绍 . 10 3.4 LCD1602 显示器显示原理介绍 . 11 4 系
10、统设计 . 13 4.1 系统总体设计 . 13 4.1.1 FPGA 设计流程 . 13 4.1.2 显示软件设计流程 . 14 4.1.3 系统运转流程 . 15 4.2 FPGA 详细设计 . 16 4.2.1 系统电路设计 . 16 4.2.2 系统模块设计 . 19 4.3 PC 端显示软件详细设计 . 29 4.3.1 软件设计关键要点 . 29 4.3.2 软件界面设计 . 29 4.3.4 软件功能 . 30 5 测试与实现 . 31 结论 .35 参考文献 .36 致谢 .37 附录 A 系统说明 .38 1 1 绪论 温度，无论是在工农业生产和日常生活中，还是在国防、医疗、
11、安全等各个领域中都是经常需要用到的一个最基本的重要环境参数，温度检测也是应用频率最高的技术之一，在粮食仓库存储、环境数据监测、医学体温检测等领域有着广泛应用。 显然 ，一个迅速、准确的温度检测手段 ，在我们的生产生活中显得异常重要。 1.1 系统研究背景 及目的 在化工、石油、冶金等工业化生产过程的物理过程和化学过程中，温度往往是一个很重要的度量，需要加以精确的控制。在我们现代自动化生产中，工业的生产过程在大多数情况下都需要对温度进行严格的监测与控制，才能得以顺利地进行生产。除此以外，使用自动化地对温度进行监控，可以保证生产环境的安全，避免意外事故的发生。从而保障了企业工业生产的财产与设备的安
12、全。 因此研究更准确、更实用的温度的监测系统非常有必要，它可以进一步地优化成一个控制系统。通过控制温度来进行工业化的生产。 1.2 国内外研究现状 我国是一个工业大国，无论是机械工业化生产，还是化学工业生产，再到农业化生产等，对温度的控制往往是必不可少的。因而研究温度的监测，可以为各类工业化生产创造出非常实用的价值，大大降低了工业化生产所需要的成本，也节约了大量的人力资源，避免对生产所需的资源和经济造成极大的浪费。因此对温度的监测的研究，就变得尤其的重要。首先，温度的度量要相当的精确，不容许有极大的差错。其次，在 温度传感与硬件系统的设计上，要设计的更加严谨，具有正确性，可运行性，可维护性。最
13、后在考虑数据通信方面，也要保证数据传送的正确性，及时性等。同时整个系统也应当设计富有人性化。目前我国在对温度监测方面上的研究已相当成熟。在基于 FPGA 的温度控制的研究也相当多。对各类的温度传感器的学习研究和控制上是非常成熟的，例如：DS18B20 温度传感器， PT100 温度传感器等。其次在 FPGA 上的研究也是相当的成熟，Actel公司的各类系列的开发板都带有详细的说明，以及各模块的电路图例，这可以极大的方便我们在这基础进行快速的开 发上。现在我们学习生活中也有许多的各种系列的2 数字逻辑的学习资料，如 VHDL 和 Verilog HDL 语言学习资料。通过这些资料可以作为基于 F
14、PGA 的温度检测系统的学习背景。 1.3 题目的研究方法 FPGA（ Field Programmable Gate Array） ，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、 CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。 它是作为专用集成电路 （ ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA 开发需要从顶层设计、模块分层、逻辑实现、软硬件调试等多方面着手。 本系统设计主要基于 FPGA 上对温度传感器进行采集数据，并将采集到的数据进行转换及存储，将温度数据实时地显示在 LCD 液晶显示屏幕上，并且通过主机串口向
15、 PC机传送温度数据，实现串口通信。从而实现对温度监控。所使用到的开发板是 Actel公司的 ProASIC3 系列的 A3P250 开发板。该开发板提供了 COM 串口， LCD 液晶显示，JTAG 口烧写程序，在开发环境的选择上只能选择 Actel公司提供的 Libero V9.1 集成开发环境。方便对系统的电路设计，综 合仿真，布线布局，时序约束和分析、功率分析以及程序文件生成等。轻松创建完整的、基于简单和复杂处理器的系统级芯片 (SoC)设计。 1.4 论文的构成及研究内容 本系统 基于 FPGA 的多路温度传感监测器 主要的构成及研究内容有以下几个方面： 1、研究 DS18B20 温
16、度传感器的控制过程 ； 2、研究 LCD1602 液晶显示屏的显示过程 ； 3、研究 Actel公司的 ProASIC3 系列开发板 A3P250 各个模块电路图，引脚等知识 ； 4、利用 SPI（串行外围设备接口）实现控制单路 DS18B20 温度传感器 ； 5、基于单路 DS18B20 温度传感监测器的设计，实现多路 DS18B20 温度传感监测器 ； 6、利用 UART（通用异步收发传送器）实现与 PC 端的 串口通信 ； 7、设计 PC 端显示 软件， 通过 PC 端软件 实现 多路温度的实时监测显示。 3 2 系统需求分析 利用 VerilogHDL 和 IP 核技术，设计开发一个基
17、于 FPGA的多路温度传感器监测器。该设计具有八路 DS18B20 温度传感器，可对周围环境进行实时温度检测，并通过 LCD显示屏和 PC 端设计软件实时显示出来。 2.1 系统开发环境 1、 FPGA 设计 FPGA 设计平台： Libero IDE v9.1 FPGA 设计工具： IP 核、 Verilog HDL 语言 2、 PC 端显示软件设计 PC 端显示软件设计平台： Microsoft Visual Studio 2010 PC 端显示软件设计语言： C# 2.2 系统设计思路 本系统利用 VerilogHDL 语言、 IP 核技术设计开发一个基于 FPGA 的多路温度传感器监测
18、器 ，对八路 DS18B20 温度传感器进行 控制与温度数据采集，并集成于 Actel ProAISC3 A3P250 PQ208 FPGA 开发板中，以实现对周围温度的实时监测。 具体思路是利用 IP 核 CoreABC 核 作为控制器， CoreAPB3 核 作为系统总线， CoreSPI核 作为外设接口， CoreUARTapb 核 作为串行通信接口， CoreTimer 核 作为延时发生器 ；利用 VerilogHDL 语言设计的 FIFO、读时钟和写时钟作为 LCD 显示控制器，双向 控制端口作为 DS18B20 的传输切换控制器；最后将各个模块整合成 一个整体。 其中需要说明的是
19、， 由于 DS18B20 为单总线系统，读写操作都由一条总线完成，所以 SPI 与 DS18B20 连接时需要通过一个双向控制端口 ，进行读写切换 。对 DS18B20的读写操作通过 SPI 完成， SPI 每次 想 DS18B20 读写 8 位，但相对于 DS18B20 来说仅读写一位。为了解决 控制器与 DS18B20、 LCD 显示器 间的速度差异，本 系统通过设计内部指令组成延时函数并通过 CoreTimer 产生延时达到 控制器与 DS18B20 的速度协调，通过 FIFO 的输入输出特性达到控制器与 LCD 显示 器 的速度协调。 4 2.3 系统预期效果分析 本系统可实现 通过八路 DS18B20 温度传感器 对周围环境的实时温度检测，并将检测到的温度数据通过串口传输到电脑中，通过专门设计的软件将八路温度数据在 电脑中显示出来，并且若超过阈值，将提示警告信息。同时也通过 LCD 显示屏实时的循环显示温度数据，并且不断更新。
