【正文】 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文I摘 要本論文所設(shè)計(jì)的是一個(gè)基于 FPGA 的多功能數(shù)字溫度控制器。本設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)數(shù)字溫度計(jì)精度低的缺點(diǎn)，并且除了傳統(tǒng)溫度計(jì)的測(cè)量溫度功能外還具有一定的控制功能，能更好的對(duì)所測(cè)量的溫度進(jìn)行處理，控制模塊的加入讓其比傳統(tǒng)溫度計(jì)具有更強(qiáng)的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)采用 EDA 技術(shù)自上而下的設(shè)計(jì)思路，對(duì)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(duì)比模塊，輸出控制模塊。在 Quartus II 軟件下應(yīng)用 VHDL 語(yǔ)言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)并仿真，根據(jù)仿真的結(jié)果。該方案能夠較好的實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能并且能對(duì)溫度進(jìn)行有效的控制。關(guān)鍵字：溫度控制；FPGA；VHDL；　　北華航天工業(yè)學(xué)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.KeyＷo(hù)rds: Temperature control FPGA VHDL 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文III目 錄第 1 章 緒論 ...............................................................1 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究概況 ..............................................1 課題相關(guān)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(shè)計(jì)的溫度控制器的優(yōu)點(diǎn) ..........................................2第 2 章 FPGA 的簡(jiǎn)介 .........................................................3 FPGA 的概述 ...........................................................3 FPGA 的基本結(jié)構(gòu) .......................................................3 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 .....................................................5 FPGA 開發(fā)編程原理 .....................................................6第 3 章 DS18B20 溫度傳感器簡(jiǎn)介 ..............................................8 傳統(tǒng)溫度采集器件的簡(jiǎn)述 ................................................8 DS18B20 的引腳 ........................................................8 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ......................................................8 DS18B20 的時(shí)序 .......................................................10 DS18B20 的工作原理 ...................................................11 DS18B20 的性能特點(diǎn) ...................................................12 DS18B20 使用過程中的注意事項(xiàng) .........................................12第 4 章 QUARTERS II 軟件簡(jiǎn)介 ................................................13 QUARTUS II 軟件概況 ....................................................13 軟件界面簡(jiǎn)介 .........................................................13 QUARTUSII 的設(shè)計(jì)流程 ..................................................14第 5 章 溫度控制器的設(shè)計(jì)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(dòng)設(shè)計(jì) .......................................17 FPGA 溫度顯示模塊的設(shè)計(jì) ..............................................19 FPGA 數(shù)據(jù)比較模塊的設(shè)計(jì) ..............................................19 FLEX 10K 開發(fā)箱上的下載 ...............................................20北華航天工業(yè)學(xué)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(xué)院畢業(yè)論文1基于 FPGA 的多功能溫度控制器設(shè)計(jì)第 1 章 緒論 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究概況溫度控制無(wú)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(dāng)今，我國(guó)農(nóng)村鍋爐取暖，農(nóng)業(yè)大棚，養(yǎng)雞場(chǎng)內(nèi)等多數(shù)都沒有實(shí)用的溫度控制系統(tǒng)，還有部分廠礦，企業(yè)還一直沿用簡(jiǎn)單的溫度設(shè)備和紙質(zhì)數(shù)據(jù)記錄儀，無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量與控制。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的生產(chǎn)部門和生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)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(lái)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(duì)溫度要求較為苛刻的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。 課題相關(guān)技術(shù)發(fā)展當(dāng)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(shè)計(jì)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)模可編程邏輯器件，使產(chǎn)品的性能提高，體積縮小，功耗降低。同時(shí)廣泛運(yùn)用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高產(chǎn)品的自動(dòng)化程度和競(jìng)爭(zhēng)力，縮短研發(fā)周期。EDA 技術(shù)正是為了適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的要求，吸收眾多學(xué)科最新科技成果而形成的一門新技術(shù)。美國(guó) ALTERA 公司的可編程邏輯器件采用全新的結(jié)構(gòu)和先進(jìn)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(diǎn)，十分方便進(jìn)行電子產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)。EDA 技術(shù)以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計(jì)載體，以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具，通過有關(guān)的開發(fā)軟件，自動(dòng)完成用軟件的方式設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯，邏輯化簡(jiǎn)，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(huì)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(yīng)用無(wú)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(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)溫度控制器的要求北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文2也越來(lái)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(shí)代悄然來(lái)臨了。 課題研究的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)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(zhǔn)確精確，并且能夠自行設(shè)定閾值溫度。當(dāng)溫度超過閾值溫度后，F(xiàn)PGA 啟動(dòng)控制功能，根據(jù)實(shí)際需要驅(qū)動(dòng)控制器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。 課題所設(shè)計(jì)的溫度控制器的優(yōu)點(diǎn)（1）讀數(shù)快且不用估讀。數(shù)顯溫度計(jì)讀數(shù)特別快, 因?yàn)橹灰獙@示器上的數(shù)字讀出即可, 不用估讀, 節(jié)省時(shí)間。（2）測(cè)量的精度高。因?yàn)槟茏x出 , 比用精度為 1 或 的溫度計(jì)測(cè)量精度大大提高。（3）測(cè)量時(shí)間短。數(shù)顯溫度計(jì)的熱容量小,達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間短, 對(duì)待測(cè)物體的溫度影響小。（4）電路簡(jiǎn)單。本測(cè)溫系統(tǒng)的電路很簡(jiǎn)單, 所用的原件少, 且造價(jià)很低。（5）測(cè)溫區(qū)域?qū)?。比一般的溫度?jì)測(cè)量溫度的區(qū)域?qū)?。?）可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。將本溫度控制器的導(dǎo)線延長(zhǎng), 完全可進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測(cè)量。（7）可進(jìn)行自動(dòng)控制。與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng), 可進(jìn)行自動(dòng)測(cè)溫、自動(dòng)控溫測(cè)量。（8）應(yīng)用廣。該溫度控制器可用于所有的測(cè)溫場(chǎng)合,不受其他的條件限制。（9）靈活性強(qiáng)。可根據(jù)實(shí)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(xué)院畢業(yè)論文3第 2 章 FPGA 的簡(jiǎn)介 FPGA 的概述FPGA 是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array）的簡(jiǎn)稱，與之相應(yīng)的CPLD 是復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device）的簡(jiǎn)稱，兩者的功能基本相同，只是實(shí)現(xiàn)原理略有不同，所以有時(shí)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(jiǎn)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(yǔ)言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，在 PCB 完成以后，利用 CPLD/FPGA 的在線修改功能，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。使用 CPLA/FPGA 開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少 PCB 面積，提高系統(tǒng)的可靠性。這些優(yōu)點(diǎn)使得 CPLA/FPGA 技術(shù)在 20 世紀(jì) 90 年代以后得到飛速的發(fā)展，同時(shí)也大大推動(dòng)了 EDA 軟件和硬件描述語(yǔ)言 VHDL 的進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)。FPGA 一般由 3 種可編程電路和一個(gè)用于存放編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)邏輯功能的基本單元，它們通常規(guī)則的排列成一個(gè)陣列，散布于整個(gè)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(zhǎng)度的連接線段和一些可編程連接開關(guān)，它們將各個(gè) CLB 之間或 CLB、IOB 之間以及 IOB 之間連接起來(lái)，構(gòu)成特定功能的電路。（