【導(dǎo)讀】研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含。對(duì)本文的研究做出重。要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱?！皽囟取笔歉黝惞I(yè)控制生產(chǎn)中常見(jiàn)的、而又十分重要的控制參數(shù)。隨著FPGA器件的大規(guī)模運(yùn)用，采用FPGA器件可簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。部分和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。其中，硬件部分是以Altera公司的EP1C3T144C8芯片、1602液晶。顯示、閾值設(shè)定以及聲光報(bào)警等五部分組成。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使得程序易。能子模塊的編寫，并通過(guò)QuartusII軟件對(duì)該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵詞FPGA；DS18B20；1602液晶顯示器；VerilogHDL語(yǔ)言；QuartusII軟件

　　

【正文】 1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令，如表 31 所示。它的讀寫操作、屏 LCD 控 制 器 LCD 驅(qū) 動(dòng) 器 LCD 顯 示 裝 備 VSS VDD VL RS R/W E DB0～ DB7 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（說(shuō)明： 1 為高電平、 0 為低電平） 表 31 1602 控制指令表 指令 指令碼 執(zhí)行周期 RS RS D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標(biāo)返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 輸入方式 0 0 0 0 0 0 1 ID S 40us 4 顯示器開(kāi)關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 40us 5 移位 0 0 0 0 0 1 SC RL * * 40us 6 功能設(shè)置 0 0 0 0 1 DL N F * * 40us 7 CGRAM 地址設(shè)置 0 0 0 1 Address of CGRAM 40us 8 DDRAM 地址設(shè) 置 0 0 1 Address of DDRAM 40us 9 忙標(biāo)志、讀地址計(jì)數(shù)器 0 1 BF 地址計(jì)數(shù)器（ AC）之值 0us 10 CGRAM/DDRAM 數(shù)據(jù)寫 1 0 寫數(shù)據(jù) 40us 11 CGRAM/DDRAM 數(shù)據(jù)讀 1 1 讀數(shù)據(jù) 40us I/D=1:數(shù)據(jù)讀 /寫操作后， AC自動(dòng)增 1. S/C=1:畫面平移一個(gè)字符位 . N=1:兩行顯示。 I/D=0:數(shù)據(jù)讀 /寫操作后， AC自動(dòng)減 1. S/C=0:光標(biāo)平移一個(gè)字符位 . N=0:一行顯示。 S=1: 數(shù)據(jù)讀 /寫操作 , 畫面平移 . R/L=1:右移 . F=1:5*10 點(diǎn)陣 S=0: 數(shù)據(jù)讀 /寫操作 , 畫面不動(dòng) . R/L=0:左移 . F=0:5*7 點(diǎn)陣 D:顯示開(kāi)關(guān)， 1開(kāi) 0關(guān)。 DL=1:八位數(shù)據(jù)接口。 BF=1:忙 C:光標(biāo)開(kāi)關(guān)， 1開(kāi) 0關(guān)。 DL=0:四位數(shù)據(jù)接口。 BF=0:準(zhǔn)備好 B:閃爍開(kāi)關(guān)， 1開(kāi) 0關(guān)。 只要按要求接好電路，通過(guò)合理的軟件編程，就可實(shí)現(xiàn) 1602 的正常工作。 溫度傳感器 溫度傳感器使用的是 DS18B20， DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干擾能力強(qiáng)、易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)（提供 9 位二進(jìn)制數(shù)字）給FPGA 芯片 處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯片。它具有 3 引腳 TO－ 92 小體積封裝形式，溫度測(cè)量范圍為－ 55℃ ～＋ 125℃ ，可編程為 9 位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃ ，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展 的 16 位數(shù)字量方式串行輸出 ，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上，CPU 只需一根端口線就能與多個(gè) DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使 DS18B20 非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。 DS18B20 外形及引腳說(shuō)明如圖 36 所示。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 圖 36 DS18B20 外形及引腳圖 在 TO92 和 SO8 的封裝中引腳有所不同，具體差別請(qǐng)查閱 PDF 手冊(cè)，在 TO92 封裝中引腳分配如下 ： 1.（ GND）： 接 地 引腳； 2.（ DQ）：?jiǎn)尉€運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳 ； 3.（ VDD）：可選的電源引腳 ； DS18B20 工作過(guò)程及時(shí)序 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 1 提供一頻率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。 高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 2 提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖 。 初始時(shí)，溫度寄存器被預(yù)置成 55℃ ，每當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 從預(yù)置數(shù)開(kāi)始減計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加 1℃ ，這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)便停止。 初始時(shí)，計(jì)數(shù)器 1 預(yù)置的是與 55℃ 相對(duì)應(yīng)的一個(gè)預(yù)置值。以后計(jì)數(shù)器 1 每一個(gè)循環(huán) 的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加1℃ 計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。 DS18B20 內(nèi)部的比較器以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計(jì)數(shù)器 2 停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器 1 中的計(jì)數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與 ℃ 進(jìn)行比較，若低于 ℃ ，溫度寄存器的最低位就置 0；若高于 ℃ ，最低位就置 1；若高于 ℃時(shí)，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位然后置 0。這樣，經(jīng)過(guò)比較后所得的溫度寄存器 的值就是最終讀取的溫度值了，其最后位代表 ℃ ，四舍五入最大量化誤差為 177。1/2LSB，即 ℃ 。 溫度寄存器中的溫度值以 9 位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號(hào)位，其余 8 位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測(cè)溫結(jié)束時(shí)，這 9 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存存儲(chǔ)器的前兩個(gè)字節(jié)中，符號(hào)位占用第一字節(jié)， 8 位溫度數(shù)據(jù)占據(jù)第二字節(jié)。 DS18B20 測(cè)量溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)量技術(shù)。 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)， DS18B20 進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開(kāi)通時(shí)間由 高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)該為 9 位，但因符號(hào)位擴(kuò)展成高 8 位，所以 ， 最后以 16 位補(bǔ)碼形式讀出。 DS18B20工作過(guò)程一般遵循以下協(xié)議：初始化 —— ROM 操作命令 —— 存儲(chǔ)器操作命令 —— 處理數(shù)據(jù) 。 1． 初始化 單總線上的所有處理均從初始化序列開(kāi)始。初始化序列包括總線主機(jī)發(fā)出一復(fù)位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道 DS1820 在總線上且已準(zhǔn)備好操作。 2． ROM 操作命令 一旦總線主機(jī)檢測(cè)到從屬器件的 存在，它便可以發(fā)出器件 ROM 操作命令之一。所有ROM 操作命令均為 8 位長(zhǎng)。 這些命令列表如下 ： Read ROM(讀 ROM)[33h] 此命令允許總線主機(jī)讀 DS18B20 的 8 位產(chǎn)品系列編碼，唯一的 48 位序列號(hào)，以及 8位的 CRC。此命令只能在總線上僅有一個(gè) DS18B20 的情況下可以使用。如果總線上存在多于一個(gè)的從屬器件，那么當(dāng)所有從片企圖同時(shí)發(fā)送時(shí)將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象（漏極開(kāi)路會(huì)產(chǎn)生線與的結(jié)果） 。 Match ROM( 符合 ROM)[55h] 此命令后繼以 64 位的 ROM 數(shù)據(jù)序列，允許總線主機(jī)對(duì)多點(diǎn)總線上特定的 DS18B20尋址。只有與 64 位 ROM 序列嚴(yán)格相符的 DS18B20 才能對(duì)后繼的存貯器操作命令作出響應(yīng)。所有與 64 位 ROM 序列不符的從片將等待復(fù)位脈沖。此命令在總線上有單個(gè)或多個(gè)器件的情況下均可使用 。 Skip ROM( 跳過(guò) ROM )[CCh] 在單點(diǎn)總線系統(tǒng)中，此命令通過(guò)允許總線主機(jī)不提供 64 位 ROM 編碼而訪問(wèn)存儲(chǔ)器操作來(lái)節(jié)省時(shí)間。如果在總線上存在多于一個(gè)的從屬器件而且在 Skip ROM 命令之后發(fā)出讀命令，那么由于多個(gè)從片同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，會(huì)在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開(kāi)路下拉會(huì)產(chǎn)生線與的效果） 。 Search ROM( 搜索 ROM)[F0h] 當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，總線主機(jī)可能不知道單線總線上的器件個(gè)數(shù)或者不知道其 64 位ROM 編碼。搜索 ROM 命令允許總線控制器用排除法識(shí)別總線上的所有從機(jī)的 64 位編碼 。 Alarm Search(告警搜索 )[ECh] 此命令的流程與搜索 ROM 命令相同。但是，僅在最近一次溫度測(cè)量出現(xiàn)告警的情況下， DS18B20 才對(duì)此命令作出響應(yīng)。告警的條件定義為溫度高于 TH 或低于 TL。只要徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 DS18B20 一上電，告警條件就保持在設(shè)置狀態(tài)，直到另一次溫度測(cè)量顯示出非告警值或者改變 TH 或 TL 的設(shè)置，使得測(cè)量 值再一次位于允許的范圍之內(nèi)。貯存在 EEPROM 內(nèi)的觸發(fā)器值用于告警。 3． 存儲(chǔ)器操作命令 Write Scratchpad（寫暫存存儲(chǔ)器） [4Eh] 這個(gè)命令向 DS18B20 的暫存器中寫入數(shù)據(jù)，開(kāi)始位置在地址 2。接下來(lái)寫入的兩個(gè)字節(jié)將被存到暫存器中的地址位置 2 和 3。可以在任何時(shí)刻發(fā)出復(fù)位命令來(lái)中止寫入 。 Read Scratchpad（讀暫存存儲(chǔ)器） [BEh] 這個(gè)命令讀取暫存器的內(nèi)容。讀取將從字節(jié) 0 開(kāi)始，一直進(jìn)行下去，直到第 9（字節(jié)8， CRC）字節(jié)讀完。如果不想讀完所有字節(jié)，控制器可以在任何時(shí)間發(fā)出復(fù)位命 令來(lái)中止讀取。 Copy Scratchpad（復(fù)制暫存存儲(chǔ)器） [48h] 這條命令把暫存器的內(nèi)容拷貝到 DS18B20 的 E2 存儲(chǔ)器里，即把溫度報(bào)警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲(chǔ)器里。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時(shí)間隙，而 DS18B20又正在忙于把暫存器拷貝到 E2 存儲(chǔ)器， DS18B20 就會(huì)輸出一個(gè) “0”，如果拷貝結(jié)束的話，DS18B20 則輸出 “1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在這條命令發(fā)出后立即起動(dòng) 強(qiáng)制 上拉并最少保持 10ms。 Convert T（溫度變換） [44h] 這條命令啟動(dòng)一次溫度轉(zhuǎn)換而無(wú) 需其他數(shù)據(jù)。溫度轉(zhuǎn)換命令被執(zhí)行，而后 DS18B20保持等待狀態(tài)。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時(shí)間隙，而 DS18B20 又忙于做時(shí)間轉(zhuǎn)換的話， DS18B20 將在總線上輸出 “0”，若溫度轉(zhuǎn)換完成，則輸出 “1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在發(fā)出這條命令后立即起動(dòng)強(qiáng) 制 上拉，并保持 500ms。 Recall E2（重新調(diào)整 E2） [B8h] 這條命令把貯存在 E2 中溫度觸發(fā)器的值重新調(diào)至?xí)捍娲鎯?chǔ)器。這種重新調(diào)出的操作在對(duì) DS18B20 上電時(shí)也自動(dòng)發(fā)生，因此只要器件一上電，暫存存儲(chǔ)器內(nèi)就有了有效的數(shù)據(jù)。在這條 命令發(fā)出之后，對(duì)于所發(fā)出的第一個(gè)讀數(shù)據(jù)時(shí)間片，器件會(huì)輸出溫度轉(zhuǎn)換忙的標(biāo)識(shí)：“0”=忙， “1”=準(zhǔn)備就緒。 Read Power Supply（讀電源） [B4h] 對(duì)于在此命令發(fā)送至 DS18B20 之后所發(fā)出的第一讀數(shù)據(jù)的時(shí)間片，器件都會(huì)給出其電源方式的信號(hào)： “0”=寄生電源供電， “1”=外部電源供電 。 4． 處理數(shù)據(jù) DS18B20 的高速暫存存儲(chǔ)器由 9 個(gè)字節(jié)組成。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 0 和第 1 個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位 在后。 表 32 溫度和對(duì)應(yīng)輸出數(shù)據(jù) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 溫度 /186。C 數(shù)字量輸出（二進(jìn)制） 數(shù)字量輸出（十六進(jìn)制） +125 0000 0111 1101 0000 07D0H + 0000 0001 1001 0001 0191H + 0000 0000 1010 0010 00A2H + 0000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H 1111 1111 1111 1000 FFF8H 1111 1111 0101 1110 FF5EH 1111 1110 0110 1111 FE6FH 55 1111 1100 1001 0000 FC90H 表 32 是 DS18B20 溫度采集轉(zhuǎn)化后得到的 16 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 DS18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于或等于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度。 溫度轉(zhuǎn)換計(jì)算方法舉例 。 例 如當(dāng) DS18B20 采集到 +125℃ 的實(shí)際溫度后，輸出為 07D0H，則 ： 實(shí)際溫度 =07D0H╳ =2020╳ =125℃。 例如當(dāng) DS18B20 采集到 55℃ 的實(shí)際溫度后，輸出為 FC90H，則應(yīng)先將 11 位數(shù)據(jù)位取反加 1 得 370H（符號(hào)位不變，也不作為計(jì)算），則：實(shí)際溫度 =370H╳ =880╳=55℃。 報(bào)警電路 報(bào)警電路用一個(gè)小喇叭作為聲音報(bào)警，一個(gè)發(fā)光二極管作為光電報(bào)警。當(dāng)測(cè)得的溫度超過(guò)報(bào)警溫度時(shí)， FPGA 芯片會(huì)給小喇叭一個(gè)穩(wěn)定周期的高低電平脈沖，讓小喇叭工 作，實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警；同時(shí)， FPGA 芯片也會(huì)給發(fā)光 二極管一個(gè)穩(wěn)定的高電平脈沖，使二極管持續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)光電報(bào)警。 報(bào)警電路的