于新穎

(山西大學商務學院 信息學院，山西 太原 030031)

0 引言

如今，伴隨著科技和經(jīng)濟的雙重快速發(fā)展，大家對生活質量及生產安全的關注和要求也變得越來越高。溫度報警電路可實現(xiàn)對溫度的測量并對后續(xù)溫度的控制方向給予引導[1]，所以不論是在常見的電子電路的設計中[2]，還是在成熟的智能家居的產品中，溫度報警電路都得到了廣泛的關注和應用[3]。

溫度報警電路的實現(xiàn)方式和仿真測試手段多種多樣。但究其本質，主要是通過不同精度的溫度傳感器[4]采集當前環(huán)境下的溫度數(shù)值，然后通過自帶的或者外接的AD轉換電路，將溫度的模擬信號形式轉換成數(shù)字信號形式，并將此二進制數(shù)值輸入到數(shù)值比較器中，與之前設定好的溫度閾值進行比較。當測得的溫度小于設定的閾值時，溫度報警電路不加以報警，繼續(xù)檢測；當測得的溫度與設定的閾值相等時，溫度報警電路即可判斷當前溫度已到達峰值臨界狀態(tài)，可驅動蜂鳴器進行報警，提示后續(xù)對溫度加以控制。

據(jù)其原理可知，溫度報警電路設計過程中，主要核心部件為數(shù)值比較器的設計，將數(shù)值比較器的輸出接到蜂鳴器或者LED燈上，即可完成溫度報警電路的設計。數(shù)值比較器的設計方案較多，為了充分體現(xiàn)QuartusII軟件的設計優(yōu)勢，本文采用數(shù)據(jù)選擇器和譯碼器級聯(lián)的方式完成溫度報警電路的設計。利用QuartusII軟件，分別在圖形輸入界面設計譯碼電路和文本輸入界面設計數(shù)據(jù)選擇器，并將二者最終在圖形界面實現(xiàn)整體電路的連接，從而實現(xiàn)混合模式的開發(fā)。

1 QuartusII設計步驟介紹

QuartusII軟件的設計流程，整體上包括設計輸入->綜合->仿真->適配->下載->硬件調試等六大步驟。

1) 設計輸入

即將設計理念輸入到計算機中。QuartusII軟件支持兩種設計輸入方式：圖形輸入和文本輸入。

◆圖形輸入：將要設計和仿真的電子系統(tǒng)以原理圖的形式呈現(xiàn)出來。這種開發(fā)方式和常見的繪圖軟件如protel 及AD等比較相似。開發(fā)手段簡單、開發(fā)界面明了，但是因為其主要依托庫里自帶的元器件，所以開發(fā)過程中一旦遇到某些元器件是庫里沒有的，便再難繼續(xù)下去。

◆文本輸入：將要設計和仿真的電子系統(tǒng)以文本代碼的形式呈現(xiàn)出來。其代碼編寫語言為硬件描述語言，常見的有VHDL、Verilog HDL、System Verilog和System C，其中Verilog HDL入門簡單，應用較廣。這種開發(fā)方式主要是通過硬件描述語言完成電路的編程設計。開發(fā)過程中一旦掌握了硬件描述語言的相關語法知識，便基本不受具體電路的限制，通用性較強；但是由于需要編程，所以對初入門人員來說具有一定的難度。

◆混合輸入：混合輸入方式是上面兩種設計輸入方式的結合。其主要原則是庫里自帶的元器件就直接選用圖形輸入方式來設計這部分電路；庫里沒有的元器件就采用文本輸入方式來設計，并將其生成自定義的元器件。最后在圖形開發(fā)界面實現(xiàn)電路的級聯(lián)。這種開發(fā)方式有效結合了上述兩種的優(yōu)點、避免了其弊端，所以可高效的實現(xiàn)電子系統(tǒng)的設計。

2) 綜合

綜合是QuartusII設計流程中的核心環(huán)節(jié)，它可以將常見的文本輸入方式中的自然語言一步步轉化，經(jīng)過自然語言綜合、行為綜合、邏輯綜合、版圖或結構綜合，最后轉化成底層的、便于具體實現(xiàn)的模塊組合的裝配。

3) 仿真

仿真環(huán)節(jié)是電路設計過程中至關重要的一步。QuartusII軟件包括功能仿真和時序仿真，可以分別從邏輯功能及器件延時等方面幫助我們了解所設計的電路是否能實現(xiàn)預期功能。

適配、下載及硬件調試主要是考慮到若將所設計的電子系統(tǒng)下載到硬件中，軟硬銜接及測試部分。

2 溫度報警電路的設計

本文采用譯碼電路和數(shù)據(jù)選擇器電路級聯(lián)的方式完成溫度報警電路的設計。溫度傳感器[5]采集進來的二進制數(shù)值給到譯碼電路中，譯碼結果再送到數(shù)值比較器中，若當前溫度數(shù)值與設定閾值相等，則數(shù)據(jù)選擇器輸出高電平，可驅動蜂鳴器發(fā)聲或者LED發(fā)光從而實現(xiàn)報警，表示當前測得溫度已到達設定的溫度閾值。

1) 圖形輸入方式設計譯碼電路

本文采用74LS154這種4-16線譯碼器完成譯碼電路。因為QuartusII元件庫自帶這種元器件，所以直接在圖形開發(fā)界面調用74LS154即可。

圖1 圖形方式設計譯碼電路

2) 文本輸入方式設計數(shù)據(jù)選擇器電路

QuartusII元件庫中沒有16選1的數(shù)據(jù)選擇器，所以可自行通過Verilog語言編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇器的設計，其程序代碼如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)選擇器的Verilog程序

通過File-->Create ∠ Update--> Create Symbol Files For Current File將以上16選1數(shù)據(jù)選擇器程序生成可調用的元件符號，用于后續(xù)電路的級聯(lián)。其生成的16選1數(shù)據(jù)選擇器符號如圖3所示。

圖3 生成的數(shù)據(jù)選擇器元件符號

3) 混合方式設計溫度報警電路

通過譯碼電路和數(shù)據(jù)選擇電路構成的溫度報警電路如圖4所示。將輸出Q端接到蜂鳴器或LED燈上，即可實現(xiàn)溫度閾值的聲光報警。

為了對以上設計電路的功能加以驗證，本文通過QuartusII軟件進行了功能仿真，其結果如圖5所示。

圖4 溫度報警電路

圖5 溫度報警電路的仿真結果

3 結果分析

通過混合設計方式，最終在QuartusII中完成了溫度報警電路的設計和仿真。仿真結果表明，假設設定的溫度閾值為1110，那么當DCBA端口采集進來的數(shù)值沒有達到閾值時，輸出Q一直為低電平，不會產生聲光報警；而當采集的溫度值達到1110的閾值時，輸出Q為高電平，可進行聲光報警提示。仿真結果與電路預期功能相符。

4 結論

本文通過混合輸入方式，既在設計過程中通過直接調用元器件體現(xiàn)了圖形輸入方式的簡便性，又通過編寫程序解決了庫中不存在的元器件的調用問題，所以設計輸入方式比較合理。靈活運用多種開發(fā)方式，這對后續(xù)更為復雜的電路也提供了一種設計思路；另外，溫度報警電路可下載到FPGA硬件中，從而廣泛應用于各個智能電子產品的設計中，所以具有一定的實用價值。