基于FPGA的具有数字显示的水温测控系统

摘要：电压、电流、温度等模拟量的监测在工业生活中都有很广泛的应用，通过监测到的数据，可以对其进行及时调整，为人们的生产生活带来了便利与保证。系统主电路采用Actel公司提供的Fusion系列FPGA，用以实现温度控制。由于加热和制冷部分的条件限制，只采用模拟的方式。电路可实现温度的显示，设置上、下限温度，超出范围报警以及与PC机通信的功能。系统测量精度和控制精度良好。同时，基于FPGA的硬件系统设计方法操作简单，开发成本较低，已成为当今世界上嵌入式系统硬件开发的主流方法之一。
关键词：Fusion；内部的温度监控模一体成型电感块；ADC模块；OLED显示

测控技术自古以来就是人类生活和生产的重要组成部分。随着科技的发展，测控技术已进入了全新的时代。近年来。电子技术的快速发展，使得计算机广泛用于自动检测和自动控制系统中，以致电压、电流、温度等的监测越来越重要，现在利用数字系统处理模拟信号的情况也越来越多，但数字系统所处理的信号都是不连续的数字信号，而待测的电压、电流、温度等都是模拟量，这就需要将监测到的模拟信号转换成数字信号，最终由系统进行处理。Actel公司出产的新型FPGAFusion系列解决了数／模转换及上电不可运行等一系列难题。Actel公司宣布推出全新的Fusion融合技术，为解决混合式信号的方案带来真正可编程功能的崭新技术。融合技术率先将混合信号的模拟功能、FLASH内存和FPGA结构集成于单片可编程系统芯片中。融合技术将可编程逻辑的优势带进应用领域中，而这些应用领域直至目前只能采用分立模拟元件和混合信号ASIC供应商提供的器件。与此同时，当融合技术与Actel的ARM7和以8051为基础的软MCU内核共用时，可作为终极的软处理器平台。这项新技术能发挥Actel以FLASH为基础FPGA的独特优势，包括高绝缘性、三井结构和支一体成型电感器持高压晶体管的能力，以满足混合信号系统设计的严格要求。

1 方案选择
该系统若根据要求可有多种实现方案。
方案一 该方案是传统的一位式模拟控制方案。选用模拟电路，用电位器设定给定值，当反馈的温度值与设定值比较后，决定加热或不回热。但它使系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码显一体成型贴片电感示，不能用键盘设定。
方案二 该方案是传统的二位式模拟控制方案。其基本思想与方案一相同，但由于采用上、下限比较电路，所以控制精度提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法，而使控制精度做得较高，此外仍不能用数码显示和键盘设定。
方案三 该方案采用CortexM1 FPGA系统来实现。系统硬件用单芯片完成多方面功能，软件编程灵活，自由度大，可用软件功率电感器编程实现各种控制算法和逻辑控制，还可实现数码显示和键盘设定等多种功能，系统电路框图如图1所示。

方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较麻烦。方案三是采用以CortexM1为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它能达到模拟控制达不到的控制效果，且可实现显示、键盘设定等多种功能，又易于扩展，大大提高了系统的智能化差模电感，也使得系统所测结果精度大大提高。故选择方案三。

2 器件介绍
该系统采用的处理器核为32位ARM CortexM1，它是ARM与Actel合作开发，是首个专门针对FPGA应用而设计的ARM处理器。CortexM1处理器的运行速度高达68 MHz，可用4 353个逻辑单元(Tiles)来实现。CortexM1处理器采用三级流水线结构，其指令集使用了经典的Thumb-2指令集中一个子集，所以无需更改，即可利用现有的Thumb代码。配置的CortexM1处理器可以连接到先进高性能总线(AHB)上，使得设计工程师能够构建自己的子系统，并能轻易增添外设功能。
2．1 数据采集部分
传感器部分既可采用热敏电阻，也可采用集成的温度传感器。由于热敏电阻的精度、重复性、可靠性都比较差，为了配合开发板的需求，在此采用晶体管作为温度传感器。系统温度检测数据采集部分原理如图2所示。

这里温度传感器采用的是晶体管2N3904，它是双极型晶体管，在使用中要按照图2所示，将其集电极与基极连接起来使用。晶体管的温度将会影响PN结上电流与电压的关系，这是Fusion器件能够实现温度监控的理论基础。送到A／D转换器的电压VADC由下面的公式可以得出：