厲昂

【摘要】? ? 文章以溫度檢測器為研究對象，在對檢測器部件進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，分別圍繞軟件設(shè)計與硬件設(shè)計展開了討論，隨后，對設(shè)計所得檢測器的可行性進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，基于FPGA對溫控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計具有良好可行性，經(jīng)由紅外控制器調(diào)節(jié)實時溫度的效果基本能夠達(dá)到預(yù)期，可大范圍推廣。

【關(guān)鍵詞】? ? 紅外遙控? ? FPGA? ? 溫度檢測器

在生活節(jié)奏極快的當(dāng)下，人們在生活品質(zhì)方面所提出要求逐漸朝著高效及快捷的方向前進(jìn)。電熱水器使用便利，能保證熱水得到實施供應(yīng)。技術(shù)人員為突出電熱水器在溫度控制方面所具有安全性與靈活性，基于FPGA對電路進(jìn)行了升級，具體設(shè)計方案如下：

一、紅外遙控溫度檢測器的主要部件

1.1控制電路

該系統(tǒng)所安裝控制電路的型號分別是ADC0809以及DAC0832，其中，ADC電路運行狀態(tài)由FPGA決定，控制模塊負(fù)責(zé)接收該電路所傳遞數(shù)字信息，在對比接收信息和輸入電路額定信號異同的基礎(chǔ)上，對控制信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳遞給DAC電路，而DAC電路的任務(wù)，主要是將轉(zhuǎn)換后控制信息向?qū)?yīng)控制電路進(jìn)行輸送[1]。假設(shè)該系統(tǒng)的額定溫度是38℃，在該溫度下ADC電路所輸出數(shù)值應(yīng)當(dāng)是97，若該系統(tǒng)額定溫度降至36℃，對應(yīng)輸出值則調(diào)整至92，在此前提下，如果ADC電路的輸入值達(dá)到97，同時FPGA向ADC電路所傳遞控制信號值是0，便需要終止加熱。反之，如果ADC電路的輸入值未達(dá)到92，且FPGA所輸出控制信號在255左右，則需要將加熱功率調(diào)整至最大值。若輸入值為92～96的任意值，則需要將輸出劃分成五個不同的階段，在數(shù)值是92時，輸出值是5，在數(shù)值是96時，輸出值是1，通過按照順序逐次遞減的方式，使加熱效果達(dá)到預(yù)期。

1.2紅外遙控器

紅外控制器可被拆分成接收器及發(fā)射器，本文所設(shè)計系統(tǒng)的接收器為TSOP4838，發(fā)射器為IR Transmitter，隨著紅外控制器的加入，該系統(tǒng)將具備對熱水器溫度進(jìn)行靈活調(diào)控的功能[2]。作為FPGA核心部件的紅外接收器，其主要任務(wù)是對紅外信號進(jìn)行接收，利用相關(guān)模塊放大所接收信號，在檢波和整形的基礎(chǔ)上，對基帶信號進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的解調(diào)。FPGA所存儲內(nèi)容主要是解調(diào)所得信號的時間寬度，若工作人員按下發(fā)射器的按鍵，存儲區(qū)將對紅外遙控編碼進(jìn)行相應(yīng)的還原，確保不同按鍵對應(yīng)不同遙控碼。由技術(shù)人員所提出設(shè)計方案強調(diào)發(fā)送載體應(yīng)為脈寬所調(diào)制串行碼，具體來說，就是以脈沖寬度相同為前提，根據(jù)不同周期及間隔，在對相應(yīng)代碼進(jìn)行設(shè)置的基礎(chǔ)上，利用代碼完成發(fā)送信息的任務(wù)。接收器負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行接收，在準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換光電信號的前提下，借助調(diào)制所得控制信號，促使二極管對紅外信號進(jìn)行發(fā)射，使系統(tǒng)溫度得到實時且精準(zhǔn)的控制。

1.3溫度傳感器

該系統(tǒng)所安裝溫度傳感器的信號為DS18B20，其優(yōu)勢主要是體積較小，可被安裝在狹小空間的內(nèi)容，對水溫變化進(jìn)行實時感應(yīng)與傳遞。另外，該傳感器的特點，還體現(xiàn)在以下方面：一是各器件均有唯一序列號對應(yīng)，可被用來對測溫器件進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的識別。二是測溫范圍在-50℃～+120℃間，較其他傳感器更大。三是在-5℃～+80℃的范圍內(nèi)，該傳感器可將測溫精度控制在-0.5℃～+0.5℃間。四是技術(shù)人員可視情況對溫度計分辨率進(jìn)行設(shè)定。五是可對溫度警報閾值進(jìn)行自定義。六是可選擇通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行供電或是由外部電源負(fù)責(zé)供電。在該傳感器內(nèi)部，電源系統(tǒng)分為外部引腳、內(nèi)部模塊兩部分，其中，引腳模塊的數(shù)量為3個，分別為VDD、GND和DQ，VDD的作用為接電引腳，通?？刹扇〖纳娫椿蛲獠侩娫茨Ｊ?GND為接地引腳;DQ則作為數(shù)據(jù)總線而存在，在系統(tǒng)和控制器處于通信狀態(tài)時，確保數(shù)據(jù)可得到實時接收及發(fā)送。考慮到單總線接口采取漏極開路設(shè)計，技術(shù)人員提出主件和數(shù)據(jù)總線連接時，除特殊情況外，均應(yīng)串聯(lián)5kΩ左右的上拉電阻。ROM負(fù)責(zé)對64位ID進(jìn)行保存，保證任一傳感器均有唯一ID碼對應(yīng)，這樣設(shè)計的目的是確保各傳感器能夠得到快速且準(zhǔn)確的識別。存儲控制邏輯所負(fù)責(zé)操作，主要是識別控制指令，讀寫溫度數(shù)據(jù)。組成暫存器的字節(jié)數(shù)量為9個，第1、2字節(jié)所保存數(shù)據(jù)為環(huán)境溫度數(shù)據(jù);第3、4字節(jié)所保存數(shù)據(jù)為溫度最低值與最高值;第5字節(jié)所保存數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)分辨率;第6～第9字節(jié)所保存數(shù)據(jù)為校驗碼，其作用是對檢測所得溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)校驗[3]。

圖1為傳感器的運行原理，結(jié)合運行原理可知，傳感器自帶寄存溫度的裝置，可確保前段數(shù)據(jù)得到準(zhǔn)確采集，采集所得數(shù)據(jù)通?？山?jīng)由轉(zhuǎn)換電路被傳遞給FPGA，為后續(xù)操作提供指導(dǎo)。

1.4過溫保護(hù)電路

該電路的作用如下：在正常加熱狀態(tài)下，若溫度沒有超過允許上限，繼電器通常處于停運狀態(tài)。如果檢測結(jié)果表明溫度超出允許上限，則需要經(jīng)由繼電器對電路狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在保證電路處于警告狀態(tài)的前提下，通過切斷電源的方式，為用戶提供過熱保護(hù)。

二、基于FPGA的軟件設(shè)計

FPGA設(shè)計可被分成四步，首先是IP核配置，其次是確定自定義模塊，再次是設(shè)計引腳，最后是綜合布線。其中，第一步的內(nèi)容主要是配置并設(shè)計IP核;第二步所設(shè)計模塊類型較多，不僅有常規(guī)的分配器、緩沖器及選擇器，還有時鐘讀寫及FIFO模塊;第三步的核心任務(wù)是連接自定義模塊及IP核，獲得相應(yīng)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)計系統(tǒng)引腳的方式，確保各引腳均與開發(fā)板引腳對應(yīng);第四步所強調(diào)重點為布線及燒錄，基于開發(fā)板對系統(tǒng)進(jìn)行集成，保證系統(tǒng)各項功能均可得到充分發(fā)揮[4]。該系統(tǒng)正式運行后，其狀態(tài)通常為等待接收信息。此時，如果紅外遙控器沒有對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，該系統(tǒng)便會自動讀取并顯示上次操作所設(shè)定溫度，若有更新數(shù)據(jù)的需要，該系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)操作，指令為+1遞增，則需要對溫度數(shù)值進(jìn)行增加，反之，指令為-1遞減，通常要對溫度數(shù)值進(jìn)行降低。在完成設(shè)置后，由系統(tǒng)對最新溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，根據(jù)指令進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，與此同時，對判斷指令進(jìn)行接收，如果溫度沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值，則需要繼續(xù)進(jìn)行加熱，若溫度超出預(yù)設(shè)值上限，通常需要第一時間斷開繼電器并終止加熱。

三、基于FPGA的硬件設(shè)計

3.1系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)的FPGA模塊由Altera提供，基于FPGA對硬件進(jìn)行設(shè)計，其原理如下：

由圖可知，硬件系統(tǒng)可被拆分成報警電路，顯示電路，轉(zhuǎn)換電路，控制電源，溫度傳感器等部分，F(xiàn)PGA作為控制核心而存在，對溫度進(jìn)行設(shè)置所依托硬件通常為紅外遙控器。在通電后，該系統(tǒng)可對上次所設(shè)置溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行自動讀取，經(jīng)由顯示器對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，如果有更新數(shù)據(jù)的需求，則需要借助紅外遙控器，對溫度數(shù)據(jù)加以調(diào)整，待設(shè)置工作告一段落，F(xiàn)PGA便可結(jié)合用戶所設(shè)定數(shù)值，通過實時運算的方式，判斷是否需要繼續(xù)加熱。若傳感器所感應(yīng)溫度未達(dá)到額定值，則該系統(tǒng)延續(xù)加熱狀態(tài)，如果加熱器所感應(yīng)溫度超過額定值上限，F(xiàn)PGA可根據(jù)邏輯運算結(jié)果，判斷是否有繼續(xù)加熱的必要，與此同時，控制報警電路傳遞報警信息。

3.2 FPGA開發(fā)板

該系統(tǒng)所依托FPGA開發(fā)板的特點為資源豐富，既有常規(guī)的指示燈和RAM，還對顯示屏及通信接口進(jìn)行了集成，可確保FPGA設(shè)計所提出要求得到應(yīng)有滿足。該開發(fā)板所具有特點，可被歸納如下：一是有測試電壓功能，測試電壓值包括1.5V、2.5V及5V。二是可作為輸出端或輸入端的指示燈數(shù)量較多，通?？蛇_(dá)到8×4個。三是分別提供頻率可自定義的振蕩器和40MHZ振蕩器，確保時鐘信號能夠得到快速且準(zhǔn)確的產(chǎn)生。四是顯示器規(guī)格為2×16。五是開發(fā)板所提供復(fù)位按鍵，可視情況對低電平有效或高電平有效進(jìn)行設(shè)置。六是開發(fā)板所提供串行接口的數(shù)量為2個。

四、基于FPGA的設(shè)計成果

對該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，技術(shù)人員強調(diào)借助硬件描述語言對軟件程序進(jìn)行編寫，基于設(shè)計平臺完成繪制原理圖與仿真測試工作，結(jié)合仿真結(jié)果對設(shè)計方案所存在不足進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果反復(fù)調(diào)試程序，確保所設(shè)計系統(tǒng)可趨于完善。在驗證設(shè)計結(jié)果時，將預(yù)設(shè)溫度定為38℃，對兩端口進(jìn)行實時觀察，結(jié)果如下：在預(yù)設(shè)溫度為38℃的情況下，經(jīng)由ADC電路所輸入數(shù)值定為97，由DAC電路所輸出數(shù)值是0。隨后，技術(shù)人員數(shù)次更改輸入數(shù)值，對輸出數(shù)值進(jìn)行了分析，第一次將輸入數(shù)值調(diào)整為92，對應(yīng)輸出數(shù)值為5;第二次將輸入數(shù)值調(diào)整為96，對應(yīng)輸出數(shù)值為1;第三次將輸入數(shù)值調(diào)整為99，對應(yīng)輸出數(shù)值為0;第四次將輸入數(shù)值調(diào)整為90，對應(yīng)輸出數(shù)值為255。這表明該系統(tǒng)所具有控制性能可達(dá)到預(yù)期水平。綜上，在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，溫度始終作為重要度量而存在，對其進(jìn)行精確控制，不僅能夠確保各項活動得到順利開展，還可為環(huán)境安全提供保證，將事故發(fā)生概率降至最低。由此可見，對實用且準(zhǔn)確的溫度檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究是大勢所趨，其作用主要是對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使溫度得到有效控制?；贔PGA對溫度檢測器進(jìn)行設(shè)計具備可行性，設(shè)計所的系統(tǒng)可滿足實時控制溫度的要求，在可靠性及穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)理想。與常規(guī)檢測器相比，該檢測器的優(yōu)點主要有讀數(shù)難度小和溫度測量準(zhǔn)確，可被應(yīng)用在對測溫所提出要求較高的場合。

五、結(jié)束語

無論是對日常生活、農(nóng)業(yè)與工業(yè)生產(chǎn)，還是對安全、國家及醫(yī)療領(lǐng)域而言，溫度都是極為重要的環(huán)境參數(shù)，對溫度進(jìn)行檢測的重要性自然不言而喻。上文便以熱水器裝置為研究對象，利用FPGA對紅外遙控裝置、核心溫控裝置進(jìn)行設(shè)計，確保預(yù)期功能得到實現(xiàn)。事實證明，該系統(tǒng)既具有使用便捷的優(yōu)點，還可確保熱水得到不間斷供應(yīng)，將該系統(tǒng)用于寫字樓或醫(yī)院等場所是大勢所趨。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]王彪，張函嘉，陳晨，等.用于TDLAS氣體檢測的FPGA數(shù)控波形驅(qū)動系統(tǒng)研制[J].激光雜志，2019（9）：48-51.

[2]湯正，康美玲，逄浩君.基于FPGA的多視頻接口的紅外成像系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（4）：96-98.

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