・数字技术・ 基于ＦＰＧＡ的温度数据实时采集系统① 肖顺文 周永宏 唐正明 （西华师范大学物理与电子信息学院 四ＪＩＩ南充 ６３７００２） 【摘要】运用传感器技术，实时地对一定环境中的温度数据进行采集，并通过ＦＰＧＡ进行实时处理并 显示。系统采用模块化设计，通过固化在模块内部的程序，自动对外界温度进行采集和控制，并通 过数码管实时显示。经测试，系统运行稳定，维护简便，参数误差为０．２％，非常适用于多路及多点 温度实时采集。 【关键词］ＦＰＧＡ 温度 数据采集 【中图分类号］ＴＰ ［文献标识码】Ａ 【文章编号］１００７－９４ｌ６（２０１０）０１－０００７－０２ １前言 现使得数字电路的设计周期和难度都大大减 温度采集电路、温度数据接收模块、温度数 温度是现代生活及生产中常见的参数， 小，在数字电路的设计中得到广泛的应用。 据处理模块、温度显示模块、ＬＥＤ电路组成。 在工业生产、科研及医疗等需要严格进行温 本设计采用能适应恶劣环境的数字化温 温度采集电路中温度传感器为数字温度传感 度控制的行业中，需要对温度进行实时监控 度传感器ＤＳ１８Ｂ２０，采用ＦＰＧＡ芯片作数据 器ＤＳ１８Ｂ２０，通过传感器实现对外界环境温 和处理，就需要精度和自动化水平高、应用 处理，实现环境温度实时采集及显示。 度的采集，ＦＰＧＡ将在６０个计数周期内将控 范围广的温度采集系统。ＦＰＧＡ器件高速度、 ２系统工作原理 制信号传送至温度传感器中，使温度传感器 高集成、低功耗、体积小，ＦＰＧＡ器件的出 系统工作原理框图如图ｌ所示，主要由 将温度信号送出。通过ＦＰＧＡ编程实现实时 采集温度传感器的温度数据，并实时处理采 集到的数据，并将其转换为ＢＣＤ码通过数码 温度数据接收模块 管显示出当前的温度。 上 ３温度数据接收模块 温度数据处理模块 温度数据接收模块与ＤＳｌ８Ｂ２０温度传感 器直接相连，用来控制ＤＳｌ８Ｂ２０的操作，并 获取数字温度值。本设计只用于测量正常环 温度显示模块 境温度，因此知道ｌ００￣Ｃ以下的温度即呵。在 读取数据时，只用取ＤＳＩ８Ｂ２０传感器的低ｌ２ 图１ 系统原理框图 位数据。模块电路原理图如图２所示，其中 ＣＬＫ输入为系统时钟信号２０ＭＨｚ分频得到 的１ＭＨｚ同步信号；ＤＳ１ ８Ｂ２０为与传感器相 — 。 ａ￣ｄ…ｑ……。 一叶 卜 一 连接的双向端口，ｔｅｍｐ［１１．．０］为１２位数字温 一．０度值输出。ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＯ模块的功能是向 ＤＳ１ ８Ｂ２０输出控制命令，并将ＤＳ１８Ｂ２０测得 图２温度数据接收模块 的数字温度信号输出。其中，ｄ端口向 滤波隔离后可大大减弱，增强了系统的可靠 拟量输入信号，由于噪声、干扰、开关的误 响，保证系统的可靠运行。ＰＬＣ控制系统中 性。如图１。 动作、模拟信号误差等因素的影响，不可避 的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干 ＰＬＣ供电系统可采用如下方式，控制器 免会形成输入信号的错误，引起程序判断失 扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有 和Ｉ／Ｏ系统分别由各自的隔离变压器供电， 误，造成事故。当按钮、开关作为输入信号 效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具 并与主电路电源分开。当某一部分电源出了 时，则不可避免产生抖动。 体分析，采取对症下药的方法，才能够使ＰＬＣ 故障时，而不会影响其他部分，如输入、输 ②软件滤波：对于模拟信号，可采用多 控制系统正常工作。 出供电中断时，控制器仍能继续供电，提高 种软件滤波方法来提高数据的可靠性。连续 参考文献 了系统的可靠性。 采样多次，采样间隔根据Ａ／Ｄ转换时间和信 ［１】陈宇．可编程序控制器基础及编程技 （２）从软件设计方面提高系统抗干扰能 号的频率而定。采样数据先后存放在不同的 巧．广州：华南理工大学出版社，ｌ９９９． 力ＰＬＣ内部具有丰富的软元件，如定时器、 数据寄存器中，经比较后取中间值或平均值 【２】陈在平，赵相宾．可编程序控制器技 计数器、辅助继电器等，利用它们设计一些 作为当前输入值。 术与应用系统设计．北京：机械工业出版社， 程序，可以屏蔽输入元件的误信号，防止输 ４结语 ２００２． 出元件的误动作，提高系统的抗干扰能力。 以上的措施，经若干ＰＬＣ控制系统现场 ①延时控制：控制器的外部开关量和模 实际运行表明，能够消除现场干扰信号的影 数字技术与应用 ７ ・——数字技术・ ＤＳＩ８Ｂ２０输出控制信号；ｃｏｎｔ为三态门的使 ｗｈｅｎ”ｌ １００ ＝＞ｔｏｕｔ（３ ｄｏｗｎｔｏ ０）＜＝” ０ｌ１ｌ”： 即为０，且小数点不亮；当片选为“１０１ｌ”时， 能信号，当ｄ向ｄｑ端口输出控制命令时， ｃｏｎｔ－１，而当ｄｑ向ＦＰＧＡ返回信号时，ｃｏｎｔ＝Ｏ，＝ 为高阻态，而ｄｑ端口全程记录ＤＳ１８Ｂ２０的状 态，向ＦＰＧＡ返回测量温度值时，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＯ 对应输出ｌｅｄ为“１０００００１０”，在数码管上显示 为６，且小数点不亮；当片选为“ｌ１０１”时， ｗｈｅｎ １ １Ｏ１ ＝＞ｔｏｕｔ（３ ｄｏｗｎｔｏ ０）＜＝ １０００ ； ｅｎｄ ｃａｓｅ； 对应输出ｌｅｄ为“１００１００００”，在数码管上显示 即为９，且小数点不亮；当片选为“１１１０”时， 通过此端口将数字值存储输出。 这部分代码的作用将低４位二进制数小 数部分代码转换为４位ＢＣＤ码。如代码所示， 输入二进制码为“１１０１”，代表十进制数小数 为“０．８１２５”，若只取一位小数位，则取“８”， 其ＢＣＤ码即“１０００”。 对应输出ｌｅｄ为“００００００００”，在数码管上显示 即为８，且小数点点亮。在动态扫描下，４个 ４温度数据处理模块 温度数据处理模块如图３所示，为将１２ 位二进制温度信号数值转换为３个用ＢＣＤ码 数码管上显示内容即为 ０６９．８”，与实际输 入的数字相同。 表示的十进制数。通过十位（ｓｈｉ［３．．Ｏ】）、个 ６结语 经测试，系统运行稳定，维护简便，参 位（ｇｅｌ３．．０】）和小数位（ｆｅｎ［３．．０】）三个端口输 对数据处理模块ｔｅｍｐｔｕｒｅ１进行仿真测 出。该模块的作用是将输入的１２位二进制温 试。预设置输入温度二进制代码为 度数据，转换成３组二进制ＢＣＤ码，每一组 “０００１ ｌ０１０１ １ １０”，其对应十进制数应为“２６． ＢＣＤ码分别对应代表十位，个位，十分位十 ８”。 进制数。 ５温度显示模块 预先将０．０至９９．９之间的所有温度值以 本设计中采用ＬＥＤ数码管动态显示温度 ０．１摄氏度为步进都在程序ＣＡＳＥ语句中列 的百位、十位、个位、十分位。温度显示模 出，相当于预先在程序中设置一个查找表， 块如图４所示，ｔｅｍｐｔｕｒｅ２模块其内部由片选 这样对于输入的１Ｏ０摄氏度以内的任意温度 模块、译码转换模块和计数器模块组成，其 值都能找到与之对应的ＢＣＤ码。由于设计中 中片选模块由一个二进制计数器和一个四选 所需要的温度范围不大，并且在程序设计上 一电路组成。系统工作时，ｃｏｕｔ４计数器在时 相对简单，且程序在运行过程中稳定可靠， 钟脉冲控制下依次循环产生４个两位二进制 易于人工对照和查询 数组，用于控制ｄｉｇｉｔ＿ｓｅｌ模块选择输出ｓｈｉ［３．． 温度数据处理模块ｔｅｍｐｔｕｒｅ１的部分 Ｏ】，ｇｅｌ３．．０］，ｆｅｎ［３．．０Ｌｂａｌｉ３．．０］四路输入信号中 ＶＨＤＬ代码片段如下： 的任意一路。位译码模块则依靠二进制计数 ｃａｓｅ ｔｉｎ（１ １ ｄｏｗｎｔｏ ４）ｉｓ 器产生的循环二进制数组，控制ｓｅｇ—ｄｅｃ模块 ｗｈｅｎ ０００１０１ １ ｌ”＝＞ｔ０ｕｔ（１ ｌｄｏｗｎｔｏ４）＜＝ 依次循环输出４位二进制数组用于各个ＬＥＤ Ｏ０１０００１１ ； 数码管的点亮。译码转换模块仍然嵌入在 ｗｈｅｎ ０００１ １００ｌ ＝＞ｔｏｕｔ（１ ｌｄｏｗｎｔｏ４）＜＝ ｓｅｇ—ｄｅｃ模块中，其作用是将ｄｉｇｉｔ＿ｓｅｌ模块输 ”０ｏ１Ｏ０１０１ ｚ 出的４位二进制ＢＣＤ码转换为８位用于点亮 ｅｎｄ ｃａｓｅ； ＬＥＤ数码管的二进制段显码。 这部分代码的作用将输入的Ｉ２位温度信 设置输入ｓｈｉ［３．．０】，ｆｅｎ［３．．０］，ｇｅｌ３．．０】分 号中的高８位二进制整数部分代码转换为２ 别是“０１１０”，“１００１”，“１０００”，则其对应 组４位ＢＣＤ码。如代码中所示，输入二进制 十进制数应为“６９．８”，随着片选信号的循环 码为“０００１１００１”，代表十进制数为“２５”，输 变化，对应输出ｌｅｄ也循环依次输出Ｓ｜ｌｉ、ｆｅｎ、 出ＢＣＤ码为“００１００１０ｌ”对应的十进制数为 ｇｅ、ｂａｉ四输入数据，并且输出的为８位二进 “２”和…５’。 制ＬＥＤ数码管显示码。当片选为“０ｌ１１”时， ｃａｓｅ ｔｉｎ（３ ｄｏｗｎｔｏ ０）ｉｓ 对应输出ｌｅｄ为“１１００００００”，在数码管上显示 ＴＥＨＰＥＴＵＲＥ １ ｃｌｋ ０ 口３１．ｋ ｔｏｔ．ｉｔｓｈｉ【３－・０】 １１．．０ 七ｉ ｎｒ １ １・・口】 ｔｏｕｔ日Ｉ【３－－０ １ ｇｅ．．［．３．．．．．０．．．．． ｔｏｕｔｆ邑ｎ【ａ－－０】 ｆｅｈｉ３．．（ 土 图３温度数据处理模块 ＴＥＨｐＥＴｇＲＩｇ＂己 ｃｌｋ ０１ ｋ ａｉ［３．．０１ ．ｔｂ－ｉ【３・・口】 １－ｄ【７－・０】 ０】 ｈｉ［３．．０ｌ ｔ￥ｈｉ Ｃ ａ一一０】 口￥ｒ ３・・０】 Ｏ１ ｅｌ３—０ｌ ｔａｌ【３・－口】 ｍ［３—０１ ｔｆ■ｎＣ ３－一ｏ】 ｉ 图４温度显示模块 ８ 数字技术与应用 数误差为０．２％，设计目的已经达到。本设计 采用ＦＰＧＡ芯片做为数据处理控制芯片，虽 然从成本上增加，但ＦＰＧＡ的ＶＨＤＬ语言在 硬件模块化构建方面具有很大的优势，可以 利用其内部的门电路最大限度地将硬件电路 模块化处理，极大降低了后期故障查检的工 作量。另外，ＦＰＧＡ器件的处理速度可达几 百ＭＨｚ，以及有丰富的可用Ｉ／Ｏ端口，在实 现多路多点及高速温度实时采集时，优势就 凸显出来了。 参考文献 ［１】单慧琳，陈钟荣，张银胜．基于ＣＰＬＤ 的温度采集系统的设计【Ｊ］．微计算机信息， ２００８，２４（３５）：２ｌ０～２ｌ１，２２０． ［２】宋亚伟，李恒宗．基于ＤＳ１８Ｂ２０的温度 采集控制系统【Ｊ】．机电工程技术，２００８，３７（Ｏ９）： ８９～９１． 『３穆振海．基于ＦＰＧＡ的智能温度采集 ３］控制器…．微计算机信息，２００８，２４（２Ｏ）：２２５～ ２２６，２４３． ［４】肖金球，刘传洋，仲嘉霖．基于ＦＰＧＡ 的高速实时数据采集系统［Ｊ］．电路与系统学 报，２００５，１Ｏ（Ｏ６）：１２８～１３１． ［５】杨林楠，李红刚，张丽莲．基于ＦＰＧＡ 的高速多路数据采集系统的设计【Ｊ】．计算机 工程，２００７，３３（Ｏ７）：２４６～２４８． ［６】李健，李正平，徐超．基于ＦＰＧＡ—ＶＨＤ Ｌ的温度控制系统设计【Ｊ】．电子技术，２００８，０９： ２Ｏ～２１． ［７】王成，乔晓军，焦春岩．分布式温室环 境信息监测系统［Ｊ】．自动化技术与应用，２００５， ２４（０１）：５４～５６． 基金项目 四川省教育厅科研基金重点项目 （０７ＺＡ ｌ２７） 作者简介 肖顺文（１９７０一），男，副教授，硕士，主 要从事ＦＰＧＡ教学及研究工作。
