王振紅 劉杰林 王穎 彭玉璽 魏廣舉 陳浩健

北方工業(yè)大學(xué)

本系統(tǒng)采用復(fù)雜可編程邏輯門陣列EP1K100QC208-3作為控制核心,控制數(shù)字溫度傳感芯片采集溫度并將適時溫度與預(yù)設(shè)的人體最佳感應(yīng)溫度進行比較，得出升溫、降溫和保持信號,既實現(xiàn)了溫度控制又實現(xiàn)節(jié)能。將得到的溫度數(shù)據(jù)顯示到數(shù)碼管上，并把升溫、降溫信號編碼后發(fā)射到接收端。接收端對接收的信號解碼后得到加溫還降溫信號，再將此信號驅(qū)動放大后則可以驅(qū)動步進電機等（本設(shè)計用發(fā)光二極管點陣代替步進電機）。

1 溫度采集與發(fā)射部分

溫度采集與發(fā)射部分框圖如圖1所示。其中溫度采集，采用的是數(shù)字溫度傳感芯片LM75A。LM75A是普通溫度傳感器件，將溫度信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，然后利用內(nèi)嵌的AD轉(zhuǎn)換器件將模擬溫度信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字溫度信號。LM75A包含多個存儲器，主要是存儲工作模式控制字和存儲溫度數(shù)據(jù)。

圖1 溫度采集與發(fā)射部分框圖

溫度采集與發(fā)射部分的FPGA信號處理及系統(tǒng)控制單元，首先要控制溫度傳感器工作，就是要向數(shù)字溫度傳感芯片LM75A的溫度寄存器寫入工作狀態(tài)控制字，并且將正確的溫度寄存器數(shù)據(jù)讀出。得到正確的溫度數(shù)據(jù)后FPGA需要計算成十進制溫度數(shù)據(jù)并顯示到數(shù)碼管上，除了要顯示到數(shù)碼管上以外還得將溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)比較判斷得出升溫和降溫信號。

溫度采集與發(fā)射部分的末端是數(shù)碼顯示模塊和發(fā)射模塊，顯示模塊由四位LED數(shù)碼管構(gòu)成。負責顯示溫度傳感器采集到的實時溫度數(shù)據(jù)。無線發(fā)射模塊將溫度控制信號發(fā)射到接收端，接收端接收到信號后再去控制控溫設(shè)備來調(diào)節(jié)溫度系統(tǒng)的溫度。

2 接收與溫控部分

接收端框圖如圖2所示。接收端接收模塊接收升溫和降溫信號，并將信號傳給FPGA處理，由FPGA處理后去控制溫度控制設(shè)備等，本系統(tǒng)采用發(fā)光二極管點陣代替溫度控制設(shè)備。

圖2 接收端框圖

3 程序設(shè)計

本系統(tǒng)的控制是使用Quartus II軟件和VHDL語言實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。

圖2.系統(tǒng)軟件框圖

系統(tǒng)CLK輸入是為系統(tǒng)工作提供基準時鐘源24MHz。TIME模塊為LM75A時序控制模塊，負責設(shè)定LM75A的工作模式，讓LM75A芯片工作在正常工作模式下，即定期將溫度轉(zhuǎn)換后把數(shù)據(jù)存儲到溫度寄存器中。TIME模塊的另一個功能是負責從LM75A中讀取溫度數(shù)據(jù)并存儲到FPGA中。得到溫度數(shù)據(jù)后要將溫度數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，數(shù)據(jù)經(jīng)過MUL模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算（得到的溫度數(shù)據(jù)DATA_OUT[10..0]×0.125℃）將溫度信號轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)據(jù)，再經(jīng)過DISP模塊去實現(xiàn)數(shù)碼管的顯示控制。另一面溫度數(shù)據(jù)還要和預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)比較即經(jīng)過COMPARE比較器模塊,完成溫度的比較,得出需要加溫還是降溫的信號。在將升溫信號和降溫信號經(jīng)過無線發(fā)射模塊發(fā)射到接收端。

4 系統(tǒng)連接

溫度傳感器LM75A電路如圖2.4所示。本設(shè)計中將地址A0，A1，A2同時設(shè)置為接地。所以地址控制字寫000即可。配制寄存器寫入正常工作模式，OS為比較輸出模式，模式控制字即“00000000”，讓其工作正常工作模式，從溫度寄存器中讀取溫度控制寄存器temp的數(shù)值，經(jīng)過I2C總線SDA傳入FPGA中。經(jīng)過FPGA計算后輸出到數(shù)碼管上顯示并將判斷是否要加溫或者降溫。系統(tǒng)工作在實時工作方式，并不需要檢測和中斷。所以O(shè)S中斷線懸空處理。

圖4 溫度傳感器LM75A電路

圖5 發(fā)射接收模板

發(fā)射接收模塊如圖2.5所示。發(fā)射模塊FSK-2A帶編碼芯片PT2262具有四路輸入，工作電壓直流3～9V，工作頻率315MHz。工作電流15mA，編碼方式：固定碼，傳輸距離：>500m，輸出功率：15dBm (32mW)，傳輸速率：<10Kbps，調(diào)制方式：OOK（調(diào)幅），工作溫度：-10℃~+70℃。用了兩路輸入13和12。接收模塊四路輸出，電源電壓5V，VT 是解碼有效指示輸出腳。ANT 是天線，用24～28cm長的導(dǎo)線。

發(fā)射系統(tǒng)連線如圖6所示。溫度采集芯片LM75A經(jīng)過數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL和FPGA連接到一起，SCL是FPGA向LM75A發(fā)出的時鐘信號。SDA是雙向數(shù)據(jù)，一是FPGA發(fā)向LM75A的控制信號，另一方面是LM75A傳向FPGA的溫度數(shù)據(jù)。ADD和SUB分別是FPGA產(chǎn)生的升溫和降溫信號，分別連接到發(fā)射模塊的兩個不同的13、12上。FPGA控制數(shù)碼顯示的接口是PC[7..0]與數(shù)碼管的陽極順序為Pd-G-A，而NE[3..0]則需連接到數(shù)碼管的陰極依次是高位到低位。

無線接收模塊接收到信號后傳給FPGA，根據(jù)升降溫信號顯示不同顏色方向的滾動箭頭，com[7..0]為點陣的陰極端，red[7..0]，green[7..0]分別連點陣的紅，綠燈的陽極。升溫降溫顯示電路如圖7所示。

圖6 發(fā)射系統(tǒng)連線圖

圖7 升溫降溫顯示電路

5 應(yīng)用

基于FPGA控制的無線發(fā)射接收系統(tǒng)應(yīng)用于暖氣的溫度控制,不但可以為用戶提供舒適的環(huán)境,而且能很好地起作節(jié)能環(huán)保的作用。設(shè)計應(yīng)用了FPGA技術(shù),溫度傳感技術(shù),無線發(fā)射和接收技術(shù)。將三者集于一體，具有集成度高，溫度控制精度高、性價比高等特點。具有較強的實用價值和廣闊的市場前景。