"EDA技术应用的FPGA数字温度计设计及验证"

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The design of a digital thermometer based on FPGA provides a solution that addresses the shortcomings of traditional digital thermometers. Utilizing EDA technology, the design process adopts a top-down approach to create specific logic circuits. The design is implemented using VHDL language in the Quartus II 9.0sp2 software and involves the ALTRA company's Cyclone II series EP2C8Q208 chip for computer simulation. The resulting simulation demonstrates the functionality of the circuit in accurately measuring temperature. Key words include digital thermometer, EDA, FPGA, VHDL, Quartus II 9.0sp2, and EP2C8Q208. Through rigorous debugging and validation on hardware, this digital thermometer design showcases the capabilities of FPGA technology in creating efficient and reliable temperature-measuring systems.
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数字温度计设计方案 方案设计; 设计要求 LED数码管能够正常显示测试的温度。误差;±0.5 。范围:-30 ~120 。 LED数码管直读显示,当温度为"负",则显示负号。 所用材料 温度传感器DS18B20一个,AT89C52一个,四位共阳极数码管1个,电阻电容及导线若干。 方案确定; 方案一: 采用热敏电阻,可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围,但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差,对于检测小于 1 摄氏度的信号是不适用的。 方案二: 采用温度传感器DS18B20。DS18B20可以满足从- 55摄氏度到+125摄氏度测量范围,且DS18B20测量精度高,增值量为0.5摄氏度,在一 秒内把温度转化成数字,测得的温度值的存储在两个八位的RAM中,单片机直接从中 读出数据转换成十进制就是温度,使用方便。 基于DS18b20的以上优点,我们决定选取DS18b20来测量温度。测量原理图如下; 工作原理: 利用单片机STC89C52单片机作为本系统的中控模块。单片机可把由DS18B20读来的数据利 用软件来进行处理,从而把数据传输到LED数码管显示模块中,实现温度的显示。 单片机模型图如下; 温度测量传感器采用DALLAS公司DS18B20的单总线数字化温度传感器,测温范围为- 55 ~125 ,精度;±0.5 。可编程为9位~12位A/D转换精度,分辨率9~12Bbit测温分辨率 达到0.0625 ,工作电源。3~5v; 采用寄生电源工作方式, CPU只需一根口线便能与DS18B20通信,占用CPU口线少,可节省大量引线和逻辑电路. DS18B20传感器模型图如下。 LEDL 温度传感器 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器,与 传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简 单的编程实现9~12位的数字值读数方式。 2.3.1 DS18B20的性能特点如下: 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信; 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能; 无须外部器件; 可通过数据线供电,电压范围为3.0~5.5V; 零待机功耗; 温度以9或12位数字; 用户可定义报警设置; 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件; 负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作; 2.3.2 DS18B20详细引脚功能描述 见下表。 "序号"名称 "引脚功能描述 " "1 "GND "地信号 " "2 "DQ "数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电" " " "源下,也可以向器件提供电源。 " "3 "VDD "可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。 " 2.3.3 通信过程: (1)主机拉低单总线至少480us产生复位脉冲; (2)主机释放单总线,进入接收模式,释放时产生上升沿; (3)单总线器件检测到上升沿,延时15-60us; (4)单总线器件通过拉低总线60-240us来产生应答脉冲; (5)主机接受应答信号,对从机ROM进行命令和功能命令操作; 所有读写时序至少60us,两个独立的时序间至少1us回复时间。 2.3.4 DS18B20的基本参数 DS18B20的64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号, 共有48位,最后8位是前面56位的CRC检验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通 信的原因。温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入户报警上下限。 DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电 擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图3所示。头2个字节包含 测得的温度信息,第3和第4字节TH和TL的拷贝,是易失的,每次上电复位时被刷 新。第5个字节,为配置寄存器,它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B2 0工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3所示。 低5位一直为1,TM是工作模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式,D S18B20出厂时该位被设置为0,用户要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,来设 置分辨率。 "温度 LSB " "温度 MSB " "TH用户字节1 " "TL用户字节2 " "配置寄存器 " "保留 " "保留 " "保留 " "CRC " 图3  DS18B20字节定义 由表2可见,DS18B20温度转换的时间比较长,而且分辨率越高,所需要的温度数据转 换时间越长。因此,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用,表现为全逻辑1。第9字节