【文章內容簡介】 字溫度信號是通過溫度傳感器和模數(shù)轉換器獲得的。根據輸入的數(shù)字溫度信號，利用 FPGA 進行分析處理輸出占空比可調的 PWM 來控制電機的轉速 。電源電路的設計，通過橋式整流電路并運用 LM2575T實現(xiàn)交流轉直流，將其輸出的電壓提供給 L298N 驅動以及對 FPGA 提供電源 。重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 硬件電路原理及設計 7 3 硬件電路原理及設計 FPGA FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 EPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路（ ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個新概念，內部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內部連線（ Interconnect） 三個部分。 FPGA 的基本特點主要有： ① 采用 FPGA 設計 ASIC 電路，用戶不需要投片生產，就能得到合用的芯片。 ② FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 ③ FPGA 內部有豐富的觸發(fā)器和 I／ O 引腳。 ④ FPGA 是 ASIC 電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。 ⑤ FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。 可以說， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 目前 FPGA 的品種很多，有 XILINX 的 XC 系列、 TI 公司的 TPC 系列、 ALTERA公司的 FIEX 系列等。 FPGA 是由存放在片內 RAM 中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內的 RAM 進行編程。用戶可以根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時， FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據讀入片內編程 RAM 中，配置完成后， FPGA 進入工作狀態(tài)。掉電后， FPGA 恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此， FPGA 能夠反復使用。 FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、 PROM編程器即可。當需要修改 FPGA功能時，只需換一片 EPROM即可。這樣，同一片 FPGA，不同的編 程數(shù)據，可以產生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA 的使用非常靈活。 FPGA 有多種配置模式：并行主模式為一片 FPGA 加一片EPROM 的方式；主從模式可以支持一片 PROM 編程多片 FPGA；串行模式可以采用串行 PROM 編程 FPGA；外設模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。 Cyclone V EP4CE6 芯片 芯片簡介 Cyclone V 是 FPGA 制造廠商 ALTER 下面的一個 系列 產品，其 采用了 TSMC 的28nm 低功耗 (28LP)工藝進行開發(fā)，滿足了目前大批量低成本應用對最 低功耗、最重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 硬件電路原理及設計 8 低成本，以及最優(yōu) 性能 水平的需求。與前幾代產品相比，該系列總功耗降低了 40%，靜態(tài)功耗降低了 30%。 Cyclone V FPGA 提供功耗最低的串行收發(fā)器，每通道在5Gbps 時功耗只有 88mW，處理性能高達 4,000MIPS，而功耗不到 。此外，該系列集成了豐富的硬核知識產權模塊，例如 ， 支持 400MHz DDR3 和PCIExpress Gen2 硬核 IP 模塊的多功能硬核 存儲器 控制器等，幫助工程師降低系統(tǒng)成本和 功耗 ，縮短設計時間，同時突出產品優(yōu)勢。為保護寶貴的 IP 投入，該系列還提供最全面的設計保護功能，包括支持易失和非易失密鑰的 256 位高級加密標準 (AES)。 EP4CE6 開發(fā)板 在本次設計中，采用了 EPRCE6FPGA 芯片，其 采用了 TSMC 的 28nm 低功耗 (28LP)工藝進行開發(fā)，滿足了目前大批量低成本應用對最低功耗、最低成本，以及最優(yōu)性能水平的需求。支持 400MHz DDR3 和 PCI Express Gen2 硬核 IP 模塊的多功能硬核存儲器控制器等， 幫助工程師降低系統(tǒng)成本和功耗，縮短設計時間，同時突出產品優(yōu)勢 ，同時，為了縮短設計周期 ，設計直接從網上購買了開發(fā)板，以保證設計的進度 。 開發(fā)板 具體性能 及 參數(shù)如下： ① 采用 EPCS4SI8N 串行配置芯片，同時支持 JTAG 和 AS 模式； ② 采用 50MHz 有源晶振，提供系統(tǒng)工作時鐘； ③ 采用電源芯片 1117‐ ，提供 電壓輸出； ④ 采用 5V 直流電源插座和 USB 供電方式，兩種供電方式方便開發(fā)板的使用 ⑤采用自恢復保險絲、肖特基二極管的應用，大大提高了電路的可靠性和安全性； ⑥ 采用自鎖按鍵電源開關； ⑦ 一個重 新配置按鍵，為用戶提供重新配置信號； JTAG 下載接口，一般用于測試過程中，對應下載的文件是 SOF 文件，下載速度快，但是掉電程序丟失； AS 下載接口，一般用于固化程序，對應下載的是 POF文件，下載速度相對較慢，但是掉電程序不丟失，在日常學習的中建議使用 JTAG方式； 時鐘部分和復位電路 Altera FPGA 開發(fā)板采用 50M 有源貼片時鐘，提供芯片的主時鐘，方便用戶其他使用。提供一個全局復位按鍵，提供復位信號，時鐘部分電源均經過了濾波處理，提高了電源的穩(wěn)定性。 Altera FPGA 核心板中對這些時 鐘引腳進行了如下處理： ① CLK1 作系統(tǒng)工作時鐘，直接接入晶振 . ② CLK2 用作系統(tǒng)復位引腳，可以實現(xiàn)復位功能； 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 硬件電路原理及設計 9 ③ CKL CLK CLK CLK CLK7 已經引出，用戶在使用時只能作為輸入引腳； 電路原理如圖 所示。 圖 時鐘與復位 電路 原理圖 內部 電源 電路 電源部分是保證整個開發(fā)板系統(tǒng)正常工作最重要的部分。 Altera FPGA 開發(fā)板外部采用輸入直流 5V電源和 usb 供電兩種供電模式，經過 AMS1117‐ 穩(wěn)壓后輸出 ， 主要用于給 FPGA 所有 I/O 口，以及核心板存儲器電路、串行配置器件、復位電路和 LED 指示燈等供電。 然后 送給 AMS1117‐ 穩(wěn)壓，提供 FPGA 的內核電壓。 pwr 為電源工作指示燈，提供電源運行情況指示， D1 為1N5822，高速肖特基二極管，防止電源接反；同時各電源輸入及輸出部分設計了高質量鉭電容用作電源濾波處理，提高系統(tǒng)電源穩(wěn)定性。電源部分的原理圖如圖 所示 。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 硬件電路原理及設計 10 圖 電源原理圖 設計中所使用的這款 EPRCE6FPGA 開發(fā)板所有剩余 IO 被 全部引出，用戶可以通過這些擴展 IO 的 外接其他電路，方便快捷，既保證了通用性，又保證了實用性。Altera FPGA 開發(fā)板 I/O 通過 P1 插座引出。插座設置了 VCC5V、 、 GND 電源，方便以后單獨使用。擴展 I/O 口的原理圖如圖 所示。 圖 擴展 I/O 原理圖 電源電路原理及設計 設計中需要給 FPGA 提供 直流電源，需要給 L298N 芯片提供 24V 驅動電源，使其能夠驅動電機運轉。所以這就需要設計單獨的電源電路，其能夠將 220V 交流重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 硬件電路原理及設計 11 電壓經過降壓，整流變到所需的直流電壓值。電路如圖 所示。 圖 電源電 路圖 采用開關電源進行電源設計，如圖所示，首先將交流 220V 電壓經過變壓器降到較低的電壓值。然后進行橋式整流電路對其進行整流 ，設計中用到 LM2576 穩(wěn)壓芯片來進行穩(wěn)壓輸出，然后將其中的紋波濾掉，然后配置合適的電阻值，再次進行濾波，即可得到所需的電壓值。 LM2576 系列是美國國家半導體公司生產的 3A 電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內含固定頻率振蕩器 (52kHz)和基準穩(wěn)壓器 ()，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路 。 為了產生不同的輸 出電壓，通常將比較器的負端接基準電壓 ()，正端接分壓電阻網絡，這樣可根據輸出電壓的不同選定不同的阻值，其中R1=1kΩ(可調 ADJ 時開路 )， R2 分別為 kΩ()、 kΩ(5V)、 kΩ(12V)、 kΩ(15V)和 0(ADJ)，上述電阻依據型號不同已在芯片內部做了精確調整 因而無需使用者考慮。將輸出電壓分壓電阻網絡的輸出同內部基準穩(wěn)壓值 進行比較，若電壓有偏差，則可用放大器控制內部振蕩器的輸出占空比 從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。 L298N 芯 片 芯片介紹 L298 是 SGS(通標標準技術服務有限公司 )公司的品，比較常見的是 15 腳Multiwatt 封裝的 L298N，內部包含 4 通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋驅動器，接收標準 TTL 邏輯電平信號，可驅動 46V、 2A 以下的電機，其引腳排列如圖 中所示 。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 硬件電路原理及設計 12 圖 芯片引腳圖 L298N 的引腳 9 為 LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss，即邏輯供應電壓。引腳 4為 SUPPLY VOLTAGE Vs，即驅動部分輸入電壓。 Vss 電壓 要求輸入最小電壓為，最大可達 36V； Vs 電壓最大值也是 36V，但經過實驗， Vs 電壓應該比 Vss電壓高，否則有時會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。它的引腳 2， 3， 13， 14 為 L298N 芯片輸入到電動機的輸出端，其中引腳 2 和 3 能控制兩相電機，對于直流電動機，即可控制一個電動機。同理，引腳 13 和 14 也可控制一個直流電動機。引腳 6 和 11 腳為電動機的使能接線腳。引腳 5， 7， 10， 12 為單片機輸入到 L298N 芯片的輸入引腳。 邏輯功能 及 外接電路圖 EN A（ B） IN1（ IN3） IN2（ IN4） 電機運行情況 H H L 正轉 H L H 反轉 H 同 IN2（ IN4）同 IN1（ IN3）快速停止 L X X 停止 控制使能引腳 ENA 或者 ENB 就可以實現(xiàn) PWM 脈寬速度調整。 其外接電路圖如重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 硬件電路原理及設計 13 圖 所示。 圖 L298N 電路原理圖 實物模塊圖及其它參數(shù) 為了縮短開發(fā)周期，可直接購買相應的模塊電路，其使用方便，性能可靠，如圖 所示。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 硬件電路原理及設計 14 圖 L298N 模塊實物圖 如圖，設計中輸出 A 對接 驅動電機； 邏輯輸入對接 FPGA 的 42,43 引腳 ； 通道 A 使能與FPGA 的 34 引腳相對接，以實現(xiàn) PWM 調試 ； 設計用 12V 電風扇去模擬 24 電機，故讓 12 供電與外圍電源的 12V 輸出對接。 其具體的其它參數(shù)如下： ① 邏輯部分輸入電壓： 6～ 7V ② 驅動部分輸入電壓 Vs： ～ 46V ③ 邏輯部分工作電流 Iss：≤ 36mA ④ 驅動部分工作電流 Io：≤ 2A ⑤ 最大耗散功率： 25W（ T=75℃） ⑥ 控制信號輸入電平：高電平： ≤ Vin≤ Vs 低電平： ≤ Vin≤ ⑦ 工作溫度： 25℃～＋ 130℃ ⑧ 驅動形式：雙路大功率 H 橋驅動 DS18B20 溫度傳感器 及驅動電路 DS18B20 簡介 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，是采用美國 DALLAS 半導體 公司生產的DS18B20 可組網數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、 易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉化成串行數(shù)字信號供處理器處理 ,適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。 DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 簡介新的 一線器件 體積更小、適用電壓更寬、更經濟