基于FPGA智能温度传感器监控报警系统的设计

作者:检测猫     发表时间:2022-03-27 21:52:57   浏览次数:28



  摘要:温度的测量和监控在工业生产和日常生活中都有着广泛的应用,本文基于FPGA工作过程设计出一套以智能传感器为监测元件的温度监控报警系统,通过硬件设计和软件设计,搭建系统模型,最终实现温度的实时监控和阈值报警。


  关键词:阈值;差分技术;时序建模;FPGA


  中图分类号:TN791文献标识码:A文章编号:1007-9416(2017)01-0148-01


  随时科技的进步和社会的发展,各类行业乃至科学研究都需要对温度的检测和监控,本文主要基于FPGA技术结合温度传感器DS18B20进行温度监控和报警,该监控报警系统由FPGA芯片、温度传感器模快和报警控制模块三个部分组成,温度传感器用来收集现场的温度信号,温度信号传至FPGA芯片后,由芯片进行参数设定和阈值比较,然后将相关的处理结果送至报警模块,该温度报警系统主要特点是智能化、成本低,可在监控系统、物联网等方面应用。


  1元器件及软件


  本温度传感器报警系统选用Altera公司的Cyclone系統的EP1C3t100C8芯片,它的特点是:(1)具有多个存诸器及防扩散信号处理功能;(2)具有存储器接口设置电路;(3)支持通用串行总线及网络传输接口;(4)采用片内和片外的系统时序管理模式;5支持差分I/O技术和NiosII系列的嵌入式处理器;温度传感器采用热敏电阻生成电信号,属于智能型传感器,是美国DALLAS半导体公司新近推出的一种传感器,其型号为DS18B20,可直接显示出温度,也可以根据实际要求实现9-12位的读数方式,其引脚功能包括数字信号输入端、输出端、接地端和外接电源输入端;采用FPGA芯片可以直接面向用户、测度灵活、具有多样I/O引脚、可静态重复编程、可在线重构等功能;软件采用VerilogHDL硬件描述语言,它能够按层次描述数字系统,可同时进行时序建模,支持的功能强大、易于修改、程序设计独立于元器件,具有较强的移植能力,可以实现文件和程序的共享。


  2系统硬件设计


  该系统的设计的过程为,外界的温度信号经DS18B20温度传感器采集后输出数字信号,数字信号被送入FPGA芯片后对其进行处理,通过译码将输入的二进制转换为十进制,再通过数码管进行显示,输入的二进制信号被送到比较器中与设定的阈值信号进行比较,再根据比较结果来控制输入电平的高低,用来实现控制外接元器件。温度传感器报警系统的结构图如图1所示。


  3系统内部框图


  在FPGA设计过程中采用自上而下的设计方法,在FPGA内部有数据处理模块、时钟分频模块、数据缓存模块、数据显示模块四个模块,其中数据处理模块完成温度阈值比较、阈值参数设置等功能,数据缓存模块实现对温度传感器输出的串行数据进行接收,当条件满足后触发相应的操作,通过输入低电平信号对温度阈值进行修改,时钟分频模块主要完成时钟信号的分频工作,将原有的50MHz分频至1MHz。


  外围电路模块主要有报警模块、温度显示模块、时钟电路模块、电源模块,报警模块、复位电路、其它配置电路、温度数据寄存器等;其中报警模块由蜂鸣器和Led报警灯两部分组成,前者由三极管驱动电路完成,后者由FPGA芯片发出高电平信号控制其亮灭。


  4软件设计流程


  本系统软件设计的流程为:FPGA首先对温度集成传感器DS18B20进行初始化,读取该传感器的ID号和温度转换后的结果,对CRC校验码进行计算以验证通讯过程的可靠性,当所有的温度信号都访问结束后返回到初始状态。


  5结语


  本文主要介绍了基于FPGA数字温度传感报警器的开发与设计过程,所设计的报警器可以精确的采集温度并且能实现自定义温度阈值,且温度超过报警范围后,采用的FPGA芯片可根据输出数据和内部算法来启动控制器,以实现对温度的预置值报警,分别从硬件设计方法、模块功能介绍、软件设计程序进行说明,经试验该系统稳定性和准确性都通过了测试,完成了温度监控及报警的功能。


  参考文献 

  [1]王红亮.基于FPGA数字采集系统的设计[J].测控技术,2010(6). 

  [2]王诚.Altera FPGA/CPLD设计[M].北京:人民邮电出版社,2011.2. 

  [3]李巍.基于单片机的远程温度测控系统研究[J].厦门理工学报,2009(17). 

    作者:王晓鹏


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