【正文】 ...................................................................................... 14 FPGA 設(shè)計 .............................................................................................................................. 14 5 總結(jié) ........................................................................................................................................... 23 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 25 致 謝 ........................................................................................................................................... 26 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 本文借助 FPGA 對光電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，通過對光電轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到我們能夠數(shù)值化處理的數(shù)字信號，利用 FPGA 來進(jìn)行 I2C 協(xié)議的編寫，使具有 I2C 協(xié)議的一些邏輯器件能夠使用，使我們能夠更加了解 FPGA 的集成化處理的優(yōu)勢，所得到的結(jié)果對于利用 FPGA 來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理具有很重要指導(dǎo)意義。 研究結(jié)果表明， FPGA 配合 I2C 協(xié)議使器件的集成性更加高，處理速度高，在可移植性方面的優(yōu)勢能夠很好體現(xiàn)出來。 關(guān)鍵詞： FPGA； I2C 協(xié)議 ； 光電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） II Abstract With the FPGA to acquisition and processing of optoelectronic data, through as the photoelectric conversion signals to do the analog to digital conversion, we can get numerical digital signals which can be processed, use of FPGA to the programmable of I2C protocol, so that some logic devices with I2C protocol can be used, so that we can better understand the advantages of the integration of FPGA processing, the results obtained for the use of FPGA for data acquisition and processing has very important significance. The main work of this paper is the use of Veilog language to program I2C protocol and through I2C protocol to control of other chips, and ultimately to realize collecting and processing the fiber temperature we needed and how to more accurately display the temperature value. The results show that, FPGA with I2C protocol can make devices higher integration, higher processing speed, the advantage in portability can be well reflected. The feature of this paper is using FPGA to control time precisely, so as to achieve very accurate control of I2C protocol to realize munication. Keywords: FPGA。 optical data conversion 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 緒論 隨著科學(xué)的飛速發(fā)展，人們對很多東西的要求越來越高，在生活當(dāng)中，很多電子產(chǎn)品都向著集成化的方向發(fā)展， FPGA 的使用就是一個熱門的課題。這一接口接口即可過程有兩種解決途徑，最常見的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置，另一種則是使用光敏染料分子來捕獲光子的能量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機(jī)、智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。與此同時，將 FPGA 得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被控制生產(chǎn)過程中的 FPGA 控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。數(shù)據(jù)采集幾乎無孔不入，它已滲透到了地質(zhì)、醫(yī)藥器械、雷達(dá)、通訊、遙感遙測等各個領(lǐng)域，為我們更好的獲取信息提 供了良好的基礎(chǔ)。 比如美國 FLUKE 公司的 262XA 系列數(shù)據(jù)采集器是一種小型、便攜、操作簡單、使用靈活的數(shù)據(jù)采集器，他可以單獨(dú)使用，也可以和計算機(jī)連接使用。 262XA 共有 21 路模擬輸入通道，它可以直接測量電壓、電流、溫度、頻率和電阻等， 8 路數(shù)字輸入 /輸出可以用于數(shù)字信號的處理，另外 4 路可以用于報警輸入。 262XA 系列有兩種掃描速度： 4 通道 /秒（慢）， 17 通道 /秒（快）。就直流電源還可以同時使用，斷電時可以自動切換至直流。采集的數(shù)據(jù)可隨時通過接口打印，也可將數(shù)據(jù)用 RS232 接口傳至計算機(jī)。數(shù)據(jù)格式與 LOTUS、 Excel 相兼容 [1]。北京測振儀器廠研制的 HZ9609 數(shù)據(jù)采集 /震動分析儀，它采用中文顯示，直觀醒目，操作簡單。 整體設(shè)計方案 提出系統(tǒng)整體設(shè)計方案，其系統(tǒng)框圖如圖 1. 1 所示。 傳感器模塊是由 DAC8571， LD,PIN 管構(gòu)成，形成一個能檢測溫度等信息的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 FPGA 中心控制模塊由 FPGA 及其外圍電路組成。主要完成 A/D 轉(zhuǎn)換器的時鐘選取、 I2C 協(xié)議的編寫以及驅(qū)動傳感器， ADS1115， DAC8571。 顯示模塊用于顯示此次設(shè)計中數(shù)據(jù)采集和處理的結(jié)果能夠以一個可以讓人看到的方式接收到。傳感器模塊 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 顯示模塊 FPGA 中心控制模塊 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 上面提到這個設(shè)計總共包括三個部分：第一個是傳感模塊，第二個是模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，第三個是顯示。 傳感模塊 傳感模塊包括三個主要的部分，一個是光源 LD， GE 薄膜， PIN 管。 光源 器件 在這次設(shè)計實(shí)驗(yàn)之中我們選擇 LD，相對于 LED 而言他有許多的優(yōu)點(diǎn)。 在這個部分我們要用到的 DAC8571 實(shí)現(xiàn)方案圖如下： 圖 21 DAC8571 驅(qū)動電路 此為我們在放大部分用到了 MAX4238，對從 DAC8571 獲得的電壓信號進(jìn)行放大 。在此我們使用 XX 老師的 GE 薄膜的光纖傳感器來進(jìn)行設(shè)計。由此可以得出溫度值。 在光電接收模塊可以選擇不同的器件，首先來說說光電器件接收的原理： 光電接收的器件是根據(jù)光電效應(yīng)來獲得的，首先我們先來了解一下光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可以分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)， 內(nèi)光電效應(yīng)可以分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。 外光電效應(yīng)：被光激發(fā)產(chǎn)生的電子溢出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象。 光生伏特效應(yīng)：當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體 PN 結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在 PN 結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，形成光生伏特電壓或光生電流。 在光電導(dǎo)器件中常見的是光敏電阻，在光生伏特器件中比較常見的是硅光電二極管，PIN 型光電二極管和 APD 雪崩二極管。 2）缺點(diǎn)：在強(qiáng)光照射下光電轉(zhuǎn)換線性交差；光電弛豫過程較長；頻率響應(yīng)很低。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 PIN 型光電二極管： 響應(yīng)頻率高，可高達(dá) 10GHZ，響應(yīng)速度快，供電電壓低，工作十分穩(wěn)定 。 通過以上的對比我們選擇了 PIN 型光電二極管，由于其響應(yīng)頻率很高，速度快又比較容易實(shí)現(xiàn)。通過這三個模塊就能夠得到我們想要的信號外界一些參量的電信號。因此需要一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。下面就這兩種類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器做一下對比。ADC0809 是 8 位的逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有一個 8 通道的多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片 [4]。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 4）單個 +5V 電源供電 。 6）工作溫度范圍為 40～ +85 攝氏度 。 ADS1115 ADS1115 是業(yè)內(nèi)尺寸最小的 16 位 ADC， ADS1115 在節(jié)省空間方面擁有無可比擬的優(yōu)勢， 它增加了產(chǎn)品的可集成性 。A（典型值），工作電壓低至 2V[5]。A（典型值） 4） 電源電壓： – 5） 片上集成： 6)振蕩器和低漂移基準(zhǔn) 7)偏移電壓： 100181。C 至 +125176。有如下幾個主要的原因： 1）它是 16 位的 ADC，所以它的精度會更加高。 2）它是 I2C 器件，可以通過 I2C 協(xié)議來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，方便集成處理； 3）它使用的溫度范圍是 40176。C；而 ADC0809 只能在 40176。C 4）在實(shí)驗(yàn)的時候我們要盡量的獲得更加精確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能夠更好的減少批量生產(chǎn)的價格。至此選擇出了模數(shù)轉(zhuǎn)換器是 ADS1115。所以方便使用和集成。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。 3） 體積小、重量輕 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 3 FPGA 可編程邏輯器件 在本設(shè)計中的主要的重點(diǎn)就是 FPGA，需要用它來驅(qū)動 ADS1115 和 DAC8571，雖然用它實(shí)現(xiàn)的功能不是很多，用它實(shí)現(xiàn)的功能一個是 I2C 協(xié)議中的讀信 號，另外一個是 I2C 協(xié)議中的寫信號，但是由于 FPGA 芯片的可復(fù)制性比較高，它運(yùn)行程序可以并行運(yùn)行，所以如果需要再用多加個模塊的時候，就可以直接加到 FPGA 芯片之中，這樣就可以增加系統(tǒng)的集成性和可操作性。下面介紹一下他的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及設(shè)計方法。使用者可利用特定的計算機(jī)開發(fā)工具（軟件包和硬件電路、編程電纜）對其進(jìn)行加工，即按設(shè)計要求將這些芯片內(nèi)部的元件連接起來（此過程稱為編程或 設(shè)置），使之實(shí)現(xiàn)完成某個數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)的功能，成為一個可在實(shí)際電子系統(tǒng)中使用的專用集成電路（ ASIC）隨著集成電路工藝的日臻完善，集成度急劇攀升，功能日益強(qiáng)大。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，目前應(yīng)用較廣泛的有 CPLD 和 FPGA。 Lattice 公司 該公司已經(jīng)和 AMD 公司合并，該公司生產(chǎn) GAL 和 CPLD 產(chǎn)品，目前各學(xué)校和各公司制作實(shí)驗(yàn)板的常用芯片為 ISP1016 和可編程開關(guān) GDS14.。 Altera 公司，該公司生產(chǎn) FPGA 和 EPLD，常用芯片為 EPLD7000 系列產(chǎn)品 7128 和 FPGA10K 系列產(chǎn)品10K10Lattice 公司 介紹： Lattice 是 ISP（在線可編程）技術(shù)的發(fā)明者， ISP 技術(shù)極大的促進(jìn)了 PLD 產(chǎn)品的發(fā)展， 80 年代和 90 年代初是其黃金時期，但很快被 Xilinx， Altera 超過。中小規(guī)模 PLD 比較有特色，種類齊全。目前 Lattice 公司在上海設(shè)有研發(fā)部門 [8]。同以往的 PAL、 GAL 等相比較 :FPGA 的規(guī)模比較大，適合于時序、組合邏輯等電路應(yīng)用場合，可以替代幾十塊甚至上百塊通用分立 IC 芯片，武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 盡管 FPGA 以及其它類型的 PLD 器件的結(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)和處，但是概括起來它都是由三大部分組成的 : 1）一個二維的邏輯塊陣列，構(gòu)成 CPLD 器件的邏輯組成核心。 3）連接邏輯塊的互聯(lián)資源，連線資源由各種長度的線段組成，也包括用于連接邏輯塊之間，邏輯塊與輸入輸出部分的可編程連接開關(guān)。另外，還可能有額外的邏輯資源，像 ALU、存儲器和譯碼器 [9]。典型的 CLB，它包含了用于任意組合邏輯函數(shù)的 RAM；還包含了用于鐘控存儲單元的觸發(fā)器和多路選擇器，這樣就便于在模塊中為邏輯電路布線以及模塊內(nèi)部的邏輯電路與外部資源之間的布線連接。 注意，邏輯輸出不需要通過觸發(fā)器。正因?yàn)槿绱?