于小龍

(山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030009)

在儀器儀表等領(lǐng)域中，溫度是反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測具有十分重要的意義。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，F(xiàn)PGA器件越來越多地應(yīng)用到儀器儀表中，F(xiàn)PGA具有速度快、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適合溫度的實(shí)時(shí)采集。LM75A是一款內(nèi)置帶隙溫度傳感器的溫度檢測器，采用I2C接口。本文采用型號(hào)為EP4CE6E22C8的FPGA芯片作為溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片，溫度檢測模塊采用LM75A芯片，采集的4路溫度數(shù)據(jù)通過RS232接口分別發(fā)送給7寸LCD液晶屏和藍(lán)牙模塊。7寸LCD液晶屏用于溫度的實(shí)時(shí)顯示，藍(lán)牙模塊用于無線接收。

1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)劃分為3部分：1)由4個(gè)LM75A構(gòu)成的分布式溫度測量模塊，該模塊通過I2C總線與FPGA相連。2)由FPGA構(gòu)成的系統(tǒng)控制核心，負(fù)責(zé)分時(shí)采集處理4路溫度信號(hào)并將其通過RS232接口送至LCD屏幕和藍(lán)牙模塊。3)由7寸LCD屏幕構(gòu)成的顯示模塊及用于將數(shù)據(jù)無線發(fā)送的藍(lán)牙模塊。

2 分布式溫度測量模塊

分布式溫度測量模塊由4塊LM75A芯片構(gòu)成。LM75A是一種I2C接口的溫度傳感器，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家都有生產(chǎn)，如德州儀器(TI)、恩智浦(NXP)、意法半導(dǎo)體(ST)等，各個(gè)廠家的命名稍有差別，但硬件上、程序上是完全兼容的。本設(shè)計(jì)采用的是恩智浦(NXP)的芯片。LM75A具有如下特點(diǎn)：1)測量的溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃。2)測量精度0.125 ℃。3)3個(gè)地址選擇引腳，同一根I2C總線上最多掛8個(gè)LM75A。LM75A的引腳圖如圖2所示。

圖2 LM75A的引腳圖

各引腳功能如下：SDA：I2C串行雙向數(shù)據(jù)線。SCL：I2C串行時(shí)鐘輸入。OS：過熱關(guān)斷輸出。GND：系統(tǒng)地。A2：用戶定義的地址位2。A1：用戶定義的地址位1。A0：用戶定義的地址位0[1]。VCC：電源3.3 V。4塊LM75A芯片掛在同一條I2C總線上，3位地址分別為000、001、010和100。I2C總線如圖3所示。

圖3 I2C總線

3 系統(tǒng)控制核心

FPGA芯片的型號(hào)為EP4CE6E22C8，控制核心采用硬件描述語言Verilog進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，具體又劃分為3個(gè)模塊：1)LM75A控制模塊，主要模擬I2C時(shí)序，產(chǎn)生50 kHz時(shí)鐘，控制4塊LM75A芯片分時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，并將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理模塊。2)數(shù)據(jù)處理模塊，將溫度數(shù)據(jù)處理為便于LCD屏顯示的數(shù)據(jù)。因?yàn)長M75A采集到的數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示的11位溫度數(shù)據(jù)，分辨率為0.125 ℃,實(shí)際中并不需要這么高的分辨率，本設(shè)計(jì)只精確到0.1 ℃。3)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送過來的8位數(shù)據(jù)，并通過RS232接口同時(shí)發(fā)送給LCD屏幕和藍(lán)牙模塊。

程序中通過設(shè)置一個(gè)250 ms的計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)FPGA每間隔250 ms發(fā)送一次采集指令，讀取一塊LM75A的溫度數(shù)據(jù)，即1 s內(nèi)依次讀取4塊LM75A溫度。FPGA是主機(jī)，LM75A是從機(jī)。第一個(gè)測量周期內(nèi)主機(jī)首先發(fā)送起始信號(hào)，然后發(fā)送從機(jī)地址和方向位“讀”，從機(jī)返回應(yīng)答位，從機(jī)返回高字節(jié)，然后主機(jī)發(fā)送應(yīng)答位，從機(jī)返回低字節(jié)，主器件發(fā)送非應(yīng)答[2]，至此第一塊LM75A采集過程結(jié)束。另外三塊LM75A數(shù)據(jù)采集過程類似，如此循環(huán)。

采集到的數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示的11位溫度數(shù)據(jù)，而LCD屏幕可以顯示的數(shù)據(jù)格式為十六進(jìn)制，因此需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。例如，溫度為25 ℃時(shí)，LM75A傳回的數(shù)據(jù)為兩字節(jié)二進(jìn)制數(shù)0001_1001_0000_0000,用十六進(jìn)制表示為1900,十進(jìn)制表示為6400，而LCD屏幕要顯示25.0 ℃時(shí)需傳給它的數(shù)據(jù)應(yīng)為00FA(十六進(jìn)制)。故數(shù)據(jù)處理模塊首先將收到的兩字節(jié)二進(jìn)制數(shù)(記為temp)右移5位(記為temp1)，去掉無效數(shù)據(jù)，然后temp1右移2位(記為temp2)，將temp2和temp1相加(結(jié)果記為temp3)，則temp3即為要發(fā)送給LCD屏顯示的數(shù)據(jù)。還是以25 ℃數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明，收到0001_1001_0000_0000(temp)，右移5位得0000_0000_1100_1000(temp1)，再右移2位得0000_0000_0011_0010(temp2),將temp2和temp1相加得最終結(jié)果0000_0000_1111_1010(temp3，十六進(jìn)制250)，發(fā)送給屏幕即可顯示25.0 ℃。

FPGA程序編譯后的RTL視圖如圖4所示，lm75_ctr為LM75A控制模塊，lm75_data_process為數(shù)據(jù)處理模塊，usart_tx為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。

圖4 RTL視圖

4 LCD屏幕和藍(lán)牙模塊

LCD屏幕尺寸為7英寸，分辨率800×640，數(shù)據(jù)接口為RS232，用于實(shí)時(shí)顯示4塊LM75A芯片采集的溫度數(shù)據(jù)。藍(lán)牙模塊可將溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)送，用于遠(yuǎn)端接收及調(diào)試。LCD實(shí)際顯示效果如圖5所示。手機(jī)藍(lán)牙APP收到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 LCD實(shí)際顯示效果

圖6 手機(jī)藍(lán)牙APP界面

以藍(lán)牙收到的一幀數(shù)據(jù)A5 5A 05 82 00 01 00 D2為例，A5 5A是發(fā)給LCD屏幕的幀頭，05表示指令長度，82表示寫屏幕寄存器指令，00 01表示存儲(chǔ)器單元地址也即第一個(gè)LM75A數(shù)據(jù)存放地址，00 D2表示溫度數(shù)據(jù)(十六進(jìn)制，十進(jìn)制為210，屏幕設(shè)置為小數(shù)點(diǎn)后一位)即溫度為21.0 ℃。其他類似。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA和LM75A的多路溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，測量穩(wěn)定、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，顯示媒介為更加美觀的彩色LCD屏幕，同時(shí)數(shù)據(jù)可通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至遠(yuǎn)端用于無線接收。該系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。