【正文】 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文I摘 要本論文所設計的是一個基于 FPGA 的多功能數(shù)字溫度控制器。本設計克服了傳統(tǒng)數(shù)字溫度計精度低的缺點，并且除了傳統(tǒng)溫度計的測量溫度功能外還具有一定的控制功能，能更好的對所測量的溫度進行處理，控制模塊的加入讓其比傳統(tǒng)溫度計具有更強的實用性。本設計采用 EDA 技術(shù)自上而下的設計思路，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)劃分為溫度采集模塊、溫度顯示模塊、輸入數(shù)據(jù)對比模塊，輸出控制模塊。在 Quartus II 軟件下應用 VHDL 語言進行電路設計并仿真，根據(jù)仿真的結(jié)果。該方案能夠較好的實現(xiàn)測溫功能并且能對溫度進行有效的控制。關鍵字：溫度控制；FPGA；VHDL；　　北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文IIAbstract Designed by this paper is a multifunctional digital temperature controller based on FPGA. This design overes the drawback of traditional digital thermometer low accuracy, and in addition to the traditional thermometer temperature function also has the certain control function, can better handle and on the measured temperature control module to join its than traditional thermometer has stronger practicability. This design adopts the topdown design EDA technology, the structure of system is divided into temperature acquisition module, display module, the input data contrast module, output control module. Under the Quartus II software circuit design and simulation using VHDL language, according to the result of simulation. The scheme can achieve a better temperature measurement function and can carry on the effective control of temperature.KeyＷords: Temperature control FPGA VHDL 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文III目 錄第 1 章 緒論 ...............................................................1 課題背景及國內(nèi)外研究概況 ..............................................1 課題相關技術(shù)發(fā)展 ......................................................1 課題研究的必要性 ......................................................1 課題研究的主要內(nèi)容 ....................................................2 課題所設計的溫度控制器的優(yōu)點 ..........................................2第 2 章 FPGA 的簡介 .........................................................3 FPGA 的概述 ...........................................................3 FPGA 的基本結(jié)構(gòu) .......................................................3 FPGA 系統(tǒng)設計流程 .....................................................5 FPGA 開發(fā)編程原理 .....................................................6第 3 章 DS18B20 溫度傳感器簡介 ..............................................8 傳統(tǒng)溫度采集器件的簡述 ................................................8 DS18B20 的引腳 ........................................................8 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ......................................................8 DS18B20 的時序 .......................................................10 DS18B20 的工作原理 ...................................................11 DS18B20 的性能特點 ...................................................12 DS18B20 使用過程中的注意事項 .........................................12第 4 章 QUARTERS II 軟件簡介 ................................................13 QUARTUS II 軟件概況 ....................................................13 軟件界面簡介 .........................................................13 QUARTUSII 的設計流程 ..................................................14第 5 章 溫度控制器的設計總流程 ............................................17 溫度控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 .................................................17 DS18B20 溫度采集模塊的驅(qū)動設計 .......................................17 FPGA 溫度顯示模塊的設計 ..............................................19 FPGA 數(shù)據(jù)比較模塊的設計 ..............................................19 FLEX 10K 開發(fā)箱上的下載 ...............................................20北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文IV第 6 章 結(jié)論 ..............................................................22附 錄 ....................................................................23附錄 1 ...................................................................23北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文1基于 FPGA 的多功能溫度控制器設計第 1 章 緒論 課題背景及國內(nèi)外研究概況溫度控制無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，而在當今，我國農(nóng)村鍋爐取暖，農(nóng)業(yè)大棚，養(yǎng)雞場內(nèi)等多數(shù)都沒有實用的溫度控制系統(tǒng)，還有部分廠礦，企業(yè)還一直沿用簡單的溫度設備和紙質(zhì)數(shù)據(jù)記錄儀，無法實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時測量與控制。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)部門和生產(chǎn)環(huán)節(jié)對溫度控制精度的可靠性和穩(wěn)定性等有了更高的要求，而且隨著人們?nèi)粘Ｉ畹牟粩嗵岣?，傳統(tǒng)的溫度控制器越來越不能滿足人們生活中的需要并且傳統(tǒng)溫度控制器的精度也已經(jīng)不能滿足對溫度要求較為苛刻的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。 課題相關技術(shù)發(fā)展當今電子產(chǎn)品正向功能多元化、體積最小化、功耗最低化的方向發(fā)展?，F(xiàn)在的電子產(chǎn)品在設計上與傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品相比較，顯著的區(qū)別在于其大量地使用了大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷巩a(chǎn)品的性能提高，體積縮小，功耗降低。同時廣泛運用了現(xiàn)代計算機技術(shù)，提高產(chǎn)品的自動化程度和競爭力，縮短研發(fā)周期。EDA 技術(shù)正是為了適應現(xiàn)代電子技術(shù)的要求，吸收眾多學科最新科技成果而形成的一門新技術(shù)。美國 ALTERA 公司的可編程邏輯器件采用全新的結(jié)構(gòu)和先進的技術(shù)，加上或最新的QUARTUS II 開發(fā)環(huán)境，更具有高性能，開發(fā)周期短等特點，十分方便進行電子產(chǎn)品的開發(fā)和設計。EDA 技術(shù)以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O計載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述主要表達方式，以計算機、大規(guī)模可編程邏輯器件的開發(fā)軟件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設計工具，通過有關的開發(fā)軟件，自動完成用軟件的方式設計電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯，邏輯化簡，邏輯分割，邏輯映射，編程下載等工作。最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒囊婚T新技術(shù)。 課題 研究的必要性隨著社會的不斷發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮，電子技術(shù)的發(fā)展更是日新月異?？梢院敛豢鋸埖恼f，電子技術(shù)的應用無處不在，電子技術(shù)正在不斷地改變著我們的生活，改變著我們的世界。近些年，隨著科技的發(fā)展和社會的進步，人們對溫度控制器的要求北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文2也越來越高，不管在哪里，人們都想知道此刻的溫度和天氣狀況等一些信息，傳統(tǒng)的溫度控制器由于它的局限性以及不方便性，已不能滿足人們的需求。溫度控制器需要一次革命，不管是在性能還是在樣式上都將發(fā)生質(zhì)的變化，于是數(shù)字溫度控制器的時代悄然來臨了。 課題研究的主要內(nèi)容本設計主要研究的是基于 FPGA 的數(shù)字溫度控制器，要求溫度采集準確精確，并且能夠自行設定閾值溫度。當溫度超過閾值溫度后，F(xiàn)PGA 啟動控制功能，根據(jù)實際需要驅(qū)動控制器件，實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)。 課題所設計的溫度控制器的優(yōu)點（1）讀數(shù)快且不用估讀。數(shù)顯溫度計讀數(shù)特別快, 因為只要將顯示器上的數(shù)字讀出即可, 不用估讀, 節(jié)省時間。（2）測量的精度高。因為能讀出 , 比用精度為 1 或 的溫度計測量精度大大提高。（3）測量時間短。數(shù)顯溫度計的熱容量小,達到熱平衡所需的時間短, 對待測物體的溫度影響小。（4）電路簡單。本測溫系統(tǒng)的電路很簡單, 所用的原件少, 且造價很低。（5）測溫區(qū)域?qū)?。比一般的溫度計測量溫度的區(qū)域?qū)?。?）可進行遠距離測量。將本溫度控制器的導線延長, 完全可進行遠距離的測量。（7）可進行自動控制。與計算機聯(lián)網(wǎng), 可進行自動測溫、自動控溫測量。（8）應用廣。該溫度控制器可用于所有的測溫場合,不受其他的條件限制。（9）靈活性強?？筛鶕?jù)實際的需要替換元件后便能控制不同的器件。北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文3第 2 章 FPGA 的簡介 FPGA 的概述FPGA 是現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array）的簡稱，與之相應的CPLD 是復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device）的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實現(xiàn)原理略有不同，所以有時可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或 CPLD/PGFA。CPLD/PGFA 幾乎能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡單的 74 電路。它如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入或硬件描述語言自由的設計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真可以事先驗證設計的正確性，在 PCB 完成以后，利用 CPLD/FPGA 的在線修改功能，隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用 CPLA/FPGA 開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設計時間，減少 PCB 面積，提高系統(tǒng)的可靠性。這些優(yōu)點使得 CPLA/FPGA 技術(shù)在 20 世紀 90 年代以后得到飛速的發(fā)展，同時也大大推動了 EDA 軟件和硬件描述語言 VHDL 的進步。 FPGA 的基本結(jié)構(gòu)FPGA 具有掩膜可編程門陣列的通用結(jié)構(gòu)，它由邏輯功能塊排成陣列，并由可編程的互連資源連接這些邏輯功能塊來實現(xiàn)不同的設計。FPGA 一般由 3 種可編程電路和一個用于存放編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲器 SRAM 組成。這 3 種可編程電路是：可編程邏輯模塊、輸入/輸出模塊（ IOBI/O Block）和互連資源?？删幊踢壿嬆K CLB 是實現(xiàn)邏輯功能的基本單元，它們通常規(guī)則的排列成一個陣列，散布于整個芯片；可編程輸入/輸出模塊（IOB）主要完成芯片上的邏輯與外部封裝腳的接口，它通常排列在芯片的四周；可編程互連資源包括各種長度的連接線段和一些可編程連接開關，它們將各個 CLB 之間或 CLB、IOB 之間以及 IOB 之間連接起來，構(gòu)成特定功能的電路。（