劉歡，歐偉明，陳財(cái)彪，周志偉

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

基于FPGA和LM75A的測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉歡，歐偉明，陳財(cái)彪，周志偉

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和LM75A的溫度測量系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)以EP4CE15F17C8N為主控芯片，采用數(shù)字溫度傳感器LM75A檢測環(huán)境溫度，并利用LM75A自帶的IIC總線接口傳輸數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼管將溫度實(shí)時(shí)顯示出來；軟件設(shè)計(jì)上，采用自頂向下模塊化設(shè)計(jì)思想，先設(shè)計(jì)出IIC通信模塊、溫度顯示模塊，然后再編寫頂層模塊，將2個(gè)模塊整合。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)測溫精確，且運(yùn)行穩(wěn)定。

溫度采集；FPGA；LM75A；EP4CE15F17C8N；IIC總線

0 引言

EP4CE15F17C8N是由Altera公司2009年推出的Cyclone IV FPGA（field-programmable gate array）芯片。Cyclone IV FPGA所需的供電電源很少，在電路設(shè)計(jì)中，可以使用相對(duì)簡單的電源穩(wěn)壓器以及相關(guān)的濾波器電路，這樣電源分配網(wǎng)絡(luò)得到簡化，電路板面積也將減小，進(jìn)一步降低了成本[1]。由于FPGA非常的靈活，其產(chǎn)品能比大部分新開發(fā)的A S I C（application specific integrated circuit）或者ASSP（application specific standard parts）產(chǎn)品更迅速地推向市場，因此FPGA具有增加新功能方便、迅速跟上市場變化以及滿足客戶需求等優(yōu)點(diǎn)，能通過提高其可靠性，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，還可以重新設(shè)計(jì)以避免過時(shí)問題。

目前，工業(yè)技術(shù)在不斷的發(fā)展，諸如鋼鐵冶金、玻璃、石化等行業(yè)中有很多產(chǎn)品對(duì)溫度的要求越來越嚴(yán)格。為了使溫測精度達(dá)到工業(yè)要求，國內(nèi)學(xué)者提出了多種測溫系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[2]提出了一種基于AVR單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用DS18B20芯片采集溫度；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于STM32的溫度測量系統(tǒng)，以AD590作為溫度傳感器，所測溫度通過4位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于DSP的測溫系統(tǒng)，采用TMS320F2812作為系統(tǒng)處理器，與溫度傳感器DS18B20構(gòu)成單總線的溫度測量系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量，同時(shí)測量8路溫度。綜上所述，大部分溫度測量系統(tǒng)都是基于單片機(jī)。隨著近年來FPGA的高速發(fā)展，其應(yīng)用也更加廣泛。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和LM75A的測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)測溫穩(wěn)定，精確度高，且能實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

FPGA不像單片機(jī)那樣逐條執(zhí)行程序，而是以并行運(yùn)算為主，以硬件描述語言來完成電路設(shè)計(jì)[5]。因此，基于FPGA的溫度測量系統(tǒng)具有運(yùn)行速度更快，支持大量數(shù)據(jù)的高速處理等優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用Verilog HDL（hardware description language）語言編寫的程序?qū)懭隖PGA后，能形成實(shí)際電路。FPGA的內(nèi)部程序是并行操作，所以硬件電路不會(huì)存在程序逐條執(zhí)行的問題，且FPGA硬件的數(shù)據(jù)處理速度非?？?，可達(dá)到ns級(jí)別[6]，因而本系統(tǒng)比單片機(jī)系統(tǒng)能更迅速、實(shí)時(shí)地監(jiān)測信號(hào)的變化和及時(shí)更新數(shù)據(jù)。本文將Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片EP4CE15F17C8N作為處理器。此芯片有165個(gè)可自由分配的I/O口，連接外設(shè)很方便。該芯片采用60 nm低功耗工藝，與單片機(jī)系統(tǒng)相比，系統(tǒng)總功率消耗更低。在綜合考慮穩(wěn)定性、可實(shí)現(xiàn)性以及精確性之后，提出了基于FPGA和LM75A的溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1System design diagram

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

基于FPGA和LM75A的測溫系統(tǒng)總體分為3個(gè)部分：CPU電路、溫度采集電路、溫度顯示電路。

2.1 CPU電路設(shè)計(jì)

CPU電路主要包括主控芯片、50 MHz晶振、電源、配置芯片EPCS16、下載接口、電源指示燈，如圖2所示。

CPU電路采用EP4CE15F17C8N作為主控芯片。該FPGA芯片非常靈活，可以實(shí)現(xiàn)任何數(shù)字電路以及定制所有的電路，大大簡化了系統(tǒng)電路。其并行操作特點(diǎn)使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快。其內(nèi)部有著豐富的寄存器資源，可以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。

由于主控芯片EP4CE15F17C8N內(nèi)部集成了IIC總線接口，LM75A器件自帶IIC總線接口，因此，兩者之間可以通過上拉電阻直接相連，不需要使用I/O端口模擬IIC總線通信。主控芯片先對(duì)LM75A發(fā)送開始測量溫度命令，接著LM75A將采集到的數(shù)據(jù)通過IIC總線送入主控芯片中，主控芯片則完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、控制等操作。同時(shí)，將溫度數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示。

圖2 CPU電路圖Fig.2CPU circuit

2.2溫度采集電路設(shè)計(jì)

溫度采集電路主要由LM75A組成（如圖3所示）。OS與VCC接口接3.3 V電源，SDA與SCL分別接上拉電阻，與主控芯片IIC接口相連，A0, A1, A2接地。

圖3 溫度采集電路圖Fig.3Temperature acquisition circuit diagram

LM75A是具有IIC接口的數(shù)字溫度傳感器，管腳有8個(gè)，分別為A2, A1, A0, OS, SCL（串行時(shí)鐘線）, SDA（串行雙向數(shù)據(jù)線）VCC, GND。其內(nèi)部集成了很多器件，有IIC總線接口、邏輯控制接口、帶隙溫度傳感器、11位模擬轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及各種寄存器等。存儲(chǔ)器件的某些配置的寄存器（Conf）、存儲(chǔ)數(shù)字溫度的寄存器（Temp）也都包含在內(nèi)[7]。LM75A測溫最大范圍為-55～+125 ℃，測溫精度0.125 ℃。SCL和SDA構(gòu)成IIC串行總線，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)器件之間的主從式通信；OS為過熱關(guān)斷輸出接口，外部可連接檢測器或中斷線，當(dāng)溫度超過設(shè)定溫度值時(shí)該輸出有效；VCC, GND分別接系統(tǒng)電源和地；A0～A2是用戶自定義地址位，通過對(duì)A0, A1和A2的邏輯定義，可以使8個(gè)LM75A接在同一總線而不會(huì)有地址沖突。由于系統(tǒng)只采用了一個(gè)測溫器件測量溫度，所以電路中A0, A1, A2接地，邏輯地址為0。

溫度寄存器（Temp）是一個(gè)由高8位字節(jié)和一個(gè)低8位字節(jié)組成的只讀寄存器，其中僅有高11位被存放到Temp數(shù)據(jù)，其余低5位為0[8]。Temp數(shù)據(jù)的分辨率為0.125 ℃，當(dāng)讀到Temp寄存器時(shí)，所有16位數(shù)據(jù)都提供給總線。若Temp數(shù)據(jù)的最高有效位為邏輯0，則表示溫度是正值，溫度值(℃)=+(Temp數(shù)據(jù))*0.125 ℃；若Temp數(shù)據(jù)的最低有效位為邏輯1，則表示溫度是負(fù)值，溫度值(℃)=-(-Temp數(shù)據(jù)+1)* 0.125℃。在進(jìn)行溫度采集前，F(xiàn)PGA必須先對(duì)LM75A器件初始化，包括對(duì)LM75A的地址選擇，滯后寄存器、配置寄存器等的數(shù)據(jù)寫入等。初始化完成之后，從LM75A器件的Temp中讀取當(dāng)前溫度。

2.3 溫度顯示電路設(shè)計(jì)

溫度顯示電路由數(shù)碼管、電阻以及三極管組成。數(shù)碼管為八段共陽極數(shù)碼管。驅(qū)動(dòng)晶體管的數(shù)碼管是8550驅(qū)動(dòng)，這是一種常用的PNP型三極管，并具有低電壓、大電流和小信號(hào)特性。三極管基級(jí)通過限流電阻與主控芯片I/O管腳相連，集電極與數(shù)碼管共陽極相連，當(dāng)主控芯片給基級(jí)一個(gè)高電平后，發(fā)射級(jí)導(dǎo)通，集電極和發(fā)射級(jí)也導(dǎo)通，位選引腳（共陽極）接到3.3 V電源上。數(shù)碼管段選引腳通過限流電阻與主控芯片I/O管腳相連，并且低電平有效。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FPGA的設(shè)計(jì)輸入方法有原理圖和硬件描述語言（包括VHDL、AHDL、VerilogHDL等）2種。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一般是采用直觀、容易理解的原理圖輸入。但是此方法移植性不好，當(dāng)所選芯片升級(jí)之后，所有設(shè)計(jì)的原理圖都需改動(dòng)?，F(xiàn)在工程師常用的設(shè)計(jì)方法是用硬件描述語言完成所需設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為自頂向下設(shè)計(jì)。相比于原理圖設(shè)計(jì)方法，自頂向下設(shè)計(jì)方法主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）從功能描述到物理實(shí)現(xiàn)完全符合設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路。

2）設(shè)計(jì)可以重復(fù)利用，能應(yīng)用在不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

3）容易修改設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者可以在門消耗以及時(shí)序2方面對(duì)FPGA的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，從而選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。

4）設(shè)計(jì)周期短，效率高。采用自頂向下設(shè)計(jì)方法的效率可以達(dá)到傳統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)方法的2～4倍。

鑒于自頂向下設(shè)計(jì)方法的諸多特點(diǎn)，本系統(tǒng)軟件部分采用自頂向下模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括IIC通信模塊、溫度顯示模塊等。

3.1 IIC通信模塊

FPGA和LM75A兩者之間的通信嚴(yán)格按照IIC總線管理定義的規(guī)則。在LM75A檢測溫度時(shí)，須先對(duì)LM75A初始化，即對(duì)其配置寄存器寫入控制字進(jìn)行工作模式的設(shè)定。寫配置寄存器時(shí)序如圖4所示。

圖4 寫配置寄存器時(shí)序Fig.4Timing sequence of the configuration register

通信開始前，IIC總線一定要有空間或者不忙，這就要求總線上的器件必須釋放SDA和SCL線[9]。主機(jī)啟動(dòng)起始信號(hào)S后，開始對(duì)配置寄存器寫入要選擇的器件地址，硬件電路圖中的A0, A1, A2與地相接，因此器件的邏輯地址是“000”，再將“00000001”寫入寄存器地址指針，等待器件響應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期后，再進(jìn)行工作模式的寫入。完成上述步驟后，LM75A開始工作，若在正常工作模式下，每隔100 ms進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換），轉(zhuǎn)換的結(jié)果存放在Temp寄存器中。FPGA讀取Temp寄存器中的數(shù)據(jù)，對(duì)其處理后，就能得到溫度數(shù)據(jù)。FPGA讀取Temp寄存器中的數(shù)據(jù)也需嚴(yán)格按照IIC總線管理定義的規(guī)則[7]。讀取溫度數(shù)據(jù)的時(shí)序圖如圖5所示。

由于系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz，為了方便分頻，選擇用50 kHz的頻率作為LM75A的時(shí)鐘頻率，即SCL時(shí)鐘頻率為50 kHz。由時(shí)序圖5可知，28個(gè)時(shí)鐘周期即可完成一次讀操作；另外，使用SCL的4倍頻率生產(chǎn)計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器控制SDA相對(duì)于SCL的相位關(guān)系，此時(shí)SDA的時(shí)鐘頻率為200 kHz。

圖5 讀溫度寄存器時(shí)序Fig.5Timing sequence of the temperature register

模塊部分程序如下。

3.2 溫度顯示模塊

系統(tǒng)采用4位八段共陽數(shù)碼管顯示溫度。為使4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示溫度，可采用動(dòng)態(tài)掃描的方法依次點(diǎn)亮數(shù)碼管，當(dāng)掃描速度達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，可利用人眼視覺暫留的特點(diǎn)，使人感覺4位數(shù)碼管是在同一時(shí)間顯示。動(dòng)態(tài)掃描的頻率最好大于50 Hz，每個(gè)數(shù)碼管顯示的時(shí)間要適中，不能過長或過短，時(shí)間過長則會(huì)出現(xiàn)閃爍的情況，時(shí)間過短發(fā)光二極管電流的導(dǎo)通時(shí)間也短，會(huì)導(dǎo)致數(shù)碼管亮度變暗。一般掃描時(shí)間控制在1～2 ms左右。FPGA產(chǎn)生的掃描時(shí)間程序如下。

其中，scan_cnt為16位寄存器，存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值，記一次數(shù)的時(shí)間為1 ms。如圖6所示為數(shù)碼管顯示模塊。syc_clk是系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，sys_ret_n是系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，c1～c4為數(shù)碼管位選信號(hào)，seg_a ～seg_h分別接數(shù)碼管的發(fā)光二極管，其中seg_h控制小數(shù)點(diǎn)。lm75_temp是FPGA從器件LM75A采集到的11位溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后的數(shù)據(jù)，其算法是：

lm75_temp ＜= (buff[10:0]*125)/10;//存儲(chǔ)在緩存器buff中的11位數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后，賦值給lm75_temp寄存器。由于lm75_temp里面寄存的為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，所以需先轉(zhuǎn)成為BCD碼，才能輸出顯示。

圖6 數(shù)碼管顯示模塊Fig.6Digital tube display module

3.3系統(tǒng)整合

在用Verilog HDL編程中，系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)。上文的IIC通信模塊和溫度顯示模塊為系統(tǒng)獨(dú)立模塊，故需編寫頂層模塊（命名為top）將2個(gè)模塊整合起來。top模塊能定義各個(gè)管腳接口，從而使系統(tǒng)與外界進(jìn)行通信。top模塊通過頂層調(diào)用方法將tongxin（FPGA和LM75A通信模塊）和saomiao（數(shù)碼管掃描顯示模塊）組合成為一個(gè)完整的系統(tǒng)。將完整的程序下載到FPGA芯片，系統(tǒng)即可測量環(huán)境溫度。某次試驗(yàn)的溫度測量顯示圖如圖7所示。

圖7 溫度測量圖Fig.7Temperature measurement

試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)測溫穩(wěn)定，溫測精度高，能將環(huán)境溫度通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA和LM75A的測溫系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)簡單、功耗低、操作方便、響應(yīng)快、測量精度高。該系統(tǒng)可用于室內(nèi)溫度測量、室外動(dòng)植物生長環(huán)境溫度測量等測溫場所，該測溫系統(tǒng)還可擴(kuò)展利用8個(gè)LM75A數(shù)字溫度傳感器測溫，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)大范圍測溫。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

Design of Temperature Measurement System Based on FPGA and LM75A

Liu Huan，Ou Weiming，Chen Caibiao，Zhou Zhiwei
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Designs a temperature measurement system based on FPGA and LM75A. The design of hardware uses EP4CE15F17C8N as the main controlling chip, and applies the digital temperature sensor LM75A to test the environment temperature and the LM75A own IIC bus interface to transmit data, displaying the temperature via the Digital tube in real time. The software design, using the idea of top-down modular design thought, first, designs a IIC communication module and a temperature display module, and then, programs the top-level module and makes the modules integration. The practice results show that the system is precision in measuring temperature and operates stably.

temperature acquisition；FPGA；LM75A；EP4CE15F17C8N；IIC bus

TH811

A

1673-9833(2014)04-0025-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.007

2014-05-26

劉歡（1988-），男，湖南長沙人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)，E-mail：liuhtianya@163.com

歐偉明（1962-），男，湖南沅江人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，主要從事信號(hào)處理和嵌入式系統(tǒng)方面的研究與教學(xué)，E-mail：ouweimin@sina.com