基于FPGA的自動(dòng)采集控制系統

隨著(zhù)當前工業(yè)控制自動(dòng)化日益普及，對于工作環(huán)境中的溫度控制也越來(lái)越重要。本設計即是針對某些需要持續恒溫的特殊環(huán)境而設計的自動(dòng)溫度采集控制系統。該系統采用FPGA作為硬件核心部分，有效地利用FPGA在可編程門(mén)陣列方面的優(yōu)點(diǎn)，最大限度的使硬件電路軟件化，減少了可視硬件的規模，降低了硬件加工、布線(xiàn)以及元器件采購方面的成本與復雜性，從而降低了故障排查方面的繁雜性。使硬件電路簡(jiǎn)潔，降低了整體占用的空間。相對于其他的溫度控制系統，具有小巧，維護維修方便的優(yōu)點(diǎn)，大大的提高了可維護性，同時(shí)由于采用的元器件都比較常見(jiàn)，整體成本較低。因此很適用于一些小規模同時(shí)對溫度精度要求不高的場(chǎng)合。

1 系統工作原理

通過(guò)傳感器實(shí)現對外界環(huán)境溫度的采集，并將采集到的溫度信號傳送給FPGA芯片，FPGA芯片能夠自主地對采集的溫度信號進(jìn)行處理，并能通過(guò)LED 顯示當前溫度，同時(shí)自動(dòng)將采集到的溫度信號與預設的溫度進(jìn)行比較得出正確的比較結果，通過(guò)I/O端口輸出控制外圍設備對環(huán)境溫度進(jìn)行控制，從而達到實(shí)時(shí)溫度控制的目的。本設計中主要有溫度采集模塊、FPGA芯片模塊、LED數字顯示模塊三部分，系統原理框圖如圖1所示。

通過(guò)FPGA編程來(lái)實(shí)現對溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度數據采集，并且實(shí)時(shí)地處理采集到的數據，將采集到的數據轉換為BCD碼通過(guò)8段LED數碼管顯示出此前的溫度。與此同時(shí)，采集到的數據將會(huì )與存儲在芯片里的溫度預設值比較，并自動(dòng)產(chǎn)生比較結果，控制外圍設備對被測空間的溫度實(shí)施調節控制，從而達到恒溫的目的，溫度傳感器采集出的溫度數據通過(guò)二進(jìn)制數組片選選擇數據通過(guò)LED顯示，選擇的數據再與標準溫度進(jìn)行比較，溫度過(guò)高降溫處理、溫度過(guò)低則升溫處理。

2 主要功能模塊的實(shí)現

控制模塊如圖2所示，其中兩個(gè)PNP三極管的作用是在P1輸出控制信號時(shí)起到開(kāi)關(guān)作用，根據圖中的三極管接法，當輸出控制信號為低電平時(shí)，三極管通導，此時(shí)P2繼電器中有電流通過(guò)，使其3和6引腳接通。設計中由于采用的三極管對電流的要求較高，而又由于繼電器內部可以認為相當于是一個(gè)電感，因此在繼電器剛剛上電的時(shí)刻，三極管發(fā)射極和集電極電流將會(huì )很大，很容易將三極管燒毀，因此加裝穩壓二極管D2，使繼電器上電工作的時(shí)刻，瞬間電流通過(guò)二極管回路而不是通過(guò)三極管，就可以有效保護三極管不被燒毀。

外部輸出信號為低電平時(shí)，p2回路導通，引腳6與引腳3有電流，p3導通開(kāi)始工作，當溫度過(guò)低時(shí)，燈泡點(diǎn)亮;當溫度過(guò)高時(shí)，風(fēng)扇工作。從而實(shí)現對溫度的實(shí)時(shí)控制。

3 軟件設計及仿真結果

本設計中采用FPGA芯片作為核心控制部分。在本設計中軟件模塊主要包括溫度傳感器控制及數據接收模塊，溫度數據處理模塊，溫度顯示模塊。

3.1 溫度數據處理模塊

傳感器數據處理模塊tempture的頂層電路圖如圖3所示，它的作用主要是將12位二進(jìn)制的溫度信號轉換為用BCD碼表示的3位十進(jìn)制數，輸入的 12位溫度信號中其中的高8位二進(jìn)制代碼轉換為2組4位的BCD碼，例如輸入二進(jìn)制碼為“00010110”，代表十進(jìn)制數為“22”，輸出 BCD碼為“00100010”對應的十進(jìn)制數個(gè)位、十位均為“2”和“2”;然后將剩余的低4位二進(jìn)制代碼轉換為4位BCD碼，如輸入二進(jìn)制碼為 “1110”，代表10進(jìn)制數小數為“0.875”，若只取一位小數位，則取“8”，其BCD碼可表示為“1000”。通過(guò)三個(gè)輸出端口分別輸出十位、個(gè)位和小數位。

對溫度數據處理模塊tempture-進(jìn)行仿真測試。假定預設置輸入溫度二進(jìn)制的代碼為“000101111011”，則其對應十進(jìn)制數應為：“23.6”。仿真結果如圖4所示。

根據頂層原理圖，a[3. . 0]輸出為溫度數值的十位數，b[3..0]輸出為溫度數值的個(gè)位數，c[3..0]輸出為溫度數值的小數位。則仿真圖中，shi、fen、ge三位輸出的數字分別為“2”、“3”、“6”，仿真結果與預測轉換結果一致。

3.2 溫度顯示模塊

設計采用了4個(gè)8段式的LED數碼管可以動(dòng)態(tài)顯示溫度的百位、十位、個(gè)位與分位。下圖為溫度顯示模塊的頂層電路，由圖可知，模塊由片選模塊、譯碼轉換模塊與計數器三者組成。片選模塊主要由一個(gè)二進(jìn)制計數器和四選一電路組成。

當系統工作時(shí)，先將二進(jìn)制計數器在clk控制下依次連續產(chǎn)生4個(gè)兩位二進(jìn)制數組，來(lái)控制片選模塊選擇性的輸出shi[3..0]、 ge[3..0]、fen[3. . 0]、bai[3. . 0]四路輸入信號中任意的一路。將選出的這一路輸入信號交給譯碼轉換模塊，利用二進(jìn)制計數器產(chǎn)生的連續二進(jìn)制數組，可以控制譯碼器依次輸出對應的4位二進(jìn)制數組來(lái)依次點(diǎn)亮各個(gè)LED數碼管。最后，可以在LED上顯示出數字，讀取結果。

對溫度顯示模塊display進(jìn)行軟件仿真測試，設置輸入shi[3..0]、fen[3..0]、ge[3..0]分別是“0100”、“0011”、“0010”，則其對應10進(jìn)制數應為“43.2”。仿真結果如圖6所示。

由仿真示意圖可看出，片選信號由時(shí)鐘信號控制循環(huán)變化，而對應輸出的ledout端也依次輸出shi，fen，ge，bai四個(gè)端口輸入的數據，且輸出的是8位LED數碼管顯示碼，從圖中可以讀出，當片選信號為“0111”時(shí)，對應的輸出信號ledout為“11000000”，即表示在數碼管上的顯示為 0，小數點(diǎn)不亮，表示百位為0;當片選信號為“1011”時(shí)，對應的輸出信號ledout為“10011001”，在數碼管上的顯示為4，小數點(diǎn)不亮，表示十位為4;當片選信號為“1101”時(shí)，對應輸出ledout為“10110000”，在數碼管上的顯示即為3，表示個(gè)位為3;當片選信號為 “1110”時(shí)，對應輸出ledout為“00100100”，在數碼管上的顯示即為2，小數點(diǎn)點(diǎn)亮，表示小數位為2。動(dòng)態(tài)掃描后可知，數碼管上顯示的內容即為“043.2”。與輸入的數據相同，說(shuō)明程序編寫(xiě)正確，系統運用良好。