基于FPGA的数字温度测量仪设计与实现

摘要：温度测量仪是一种常用的检测仪器，文章中利用FPGA器件和DS18B20传感器设计实现了一种数字温度测量仪，用于室温的检测。该测量仪具有结构简单、抗干扰能力强、精确性高、转换速度快、扩展性好等优点。
关键词：温度测量；现场可编程逻辑门阵列；DS18B20；VHDL语言

0 引言
    温度作为一种最基本的环境参数，与人民的生活有着密切关系。温度的测量和控制在工业、农业、国防、医疗等各个领域中应用普遍。温度测量仪是利用物质各种物理性质随温度变化的规律，把温度转换为电量并显示的一种仪器，有着广泛的适用范围。
    本文利用FPGA器件与DS18B20温度传感器设计实现了一种数字温度测量仪，用于检测室温。与其它系统相比较，此测量仪具有结构简单、抗干扰能力强、精确性高、转换速度快、扩展性好等优点。

1 软件程序设计
    根据系统的设计要求，将程序部分设计分为5个模块，包括分频模块、DS18B20通信模块、控制模块、数制转换模块、显示模块，如图1所示。利用VHDL语言在QuartusII开发平台上完成程序设计。

1．1 分频模块
    分频模块是FPGA设计项目中的基本模块之一。针对50MHz的时钟频率进行分频产生1MHz频率信号，分频模块如图2所示。

    系统提时钟信号进入分频模块clock引脚，经过分频后得到信号从clk 1m输出。分频模块仿真结果如图3所示。
    由图3可知，输入端的50MHz时钟信号被50分频后得到输出端的1MHz信号。
1．2 DS18B20通信模块
    图4中时钟clock为输入端口，DS18820数据总线口dq[0．．0]为双向端口，使能端enable为输出端口，led[11．．1]为测试时的指示端口，在实际操作中无需接出。

    DS18B20采用一根I／O总线读写数据，因此它对读写数据位有严格的时序要求，如图5所示。

    从分频模块的clk_1m输出1MHz到通信模块的clock作为时钟信号；根据DS18B20所遵循的初始化时序、读时序、写时序等通信协议将程序完成；将获取的12位的温度信号传送给下一个模块。
1．3 控制模块
    通过控制模块，将从DS18B20读取的二进制温度信息传给数制转换模块，如图6所示。

    程序中设定了三个状态(清除clear、使能enable、显示display)，当ena为‘1’时，状态从显示转到清除；ena为‘0’时，状态一直为显示，把输入数据win[11．．1]从输出端口wout[11．．1]输出到下一模块，之间的转换关系如图7所示。

    控制模块仿真结果如图8所示。
    图8中，clock输入为1 MHz信号，经过500分频后，得到频率为1kHz的信号clk lk，此时累加器cnt0为‘0’。当cnt0为‘1’时，系统状态由原来的清除状态转变为使能状态，此时enb为‘1’，cnt0进行累加；当cnt0=‘1’时，系统状态从使能状态转变到显示状态，系统就把win[11．．1]输入的数据通过wout[11．．1]输出到下一模块。
1．4 数制转换模块
    利用数制转换模块将输入的11位二进制的温度数据转换为3位十进制表示，如图9所示。

    图9中，clear为清零输入端口，enable为使能输入端口，indata[11．．1]为数据输入端口，b1『3．．0]、b2[3．．0]、b3[3．．0]为三个输出端口。如果clear输入信号为‘1’时，程序将清除暂存寄存器中数据；反之则不清除。enable输入信号出现上升沿时，程序开始进行数制转换，并通过b1[3．．0]、b2[3．．0]、b3[3．．0]端口将得到的十进制数输出到相应的显示模块中。数制转换模块仿真见图10。

    由图10知，输入数据为“010011 10000”，clear端为低电平，当enable信号有上升沿时，数据开始转换。转换后数据为b1=0、b2=9、b3=3，符合设计值。
1．5 显示模块
    从数制转换模块输出的十进制数接入到显示模块中，将其译码为七段值，输出到共阴数码管上显示，模块如图11所示。

    由图12可知，当输入为0时，输出为“1111110”；当输入为1时，输出为“0000110”；当输入为2时，输出为“1101101”；当输入为3时，输出为“1111001”等，在七段数码管上正好显示相同数字，表明所编写的程序正确。

1．6 总体电路框图
    整体电路图如图13所示。

    输入50MHz信号接入分频模块的clock端口，经过分频后的信号输入到DS18B20通信和数制转换模块的clock端，作为模块的时钟信号。DS 18B20将测得的温度数据传给控制模块的win[11．．1]，通过数制转换模块将数据转换为3位十进制表示，最后利用显示模块译码后由共阴数码管显示。

2 硬件电路设计
    设计采用FPGA器件和DS18B20实现温度测量仪，FPGA电路板主要由FPGA器件、时钟电路、下载电路、电源电路、显示电路、指示灯和按键等构成。核心芯片采用ALTERA公司生产的CycloneII系列EP2C5T144C8芯片。在设计温度传感器部分时，由于DS18B20进行精确转换时需要I／O引脚保持大电流供电，这样对FPGA芯片引脚造成很大压力，所以要使DS18B20的VDD引脚接外部电源。电路框图如图14所示。

3 下载调试
    选择下载FPGA芯片为EP2C5T144C8，在菜单中选择Pins项设定引脚，在弹出的窗口中设置好各个输入输出端与硬件相对应的引脚，并编译通过。
    将FPGA的下载数据线一端连接FPGA电路板，一端接计算机USB口，在命令栏里Programmer项，在弹出的窗口中选择Hardware Setup，确认计算机已与DE2板连接好后，点击Start开始下载运行。

    连接好DS18B20温度传感器电路，即可测量室内温度，实物电路图如图15所示。由实测知，当前室温为24．2℃。

4 结束语
    本文利用FPGA与DS18B20设计并实现了一种用于检测室温的简易的数字温度测量仪。在QuartusII开发平台上，利用VHDL语言完成软件程序设计，并完成硬件电路板设计，最后下载验证。实现的测量仪具有结构简单、测量精确性高、使用方便、扩展性能好的优点。