基于FPGA的温控系统在制冷工况中的应用研究

包 妍 ，袁 宏，高明亮 ，杜士鹏

(1．沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳工程学院 自控系，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

目前，相关行业领域一直在不断探索研究节能、智能、过程简化的温度控制方法。本文研究以FPGA芯片为核心的温度控制系统，将其应用在制冷工况中。

此系统采用自顶向下的设计方法，使用模块化设计，配以硬件语言编程，只修改源程序，不必更改硬件电路，就可实现在线编程，时时控制，从而有效地减少系统的体积，不但增加了系统可靠性，降低研制成本，并且能够对控制逻辑进行修改升级，十分灵活。基于FPGA芯片开发的设计方法和控制方式，正得到越来越多的应用[1]。图1为采用FPGA技术构建的系统结构图。

图1 系统结构图

1 温度采集电路单元

传统模拟信号温度检测通常使用热敏电阻等器件作为感温元件，这类器件需A/D转换等后续处理电路，且可靠性相对较差，使用中需要解决引线误差补偿、多点测量误差和放大电路零点漂移误差等技术问题。另外，温度采集现场各种电磁干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。

为了克服上述一系列问题，本研究采用美国Dallas半导体公司1-Wire系列的高精度数字式温度传感器DS18B20。它具有超小体积，超低硬件资源占用率，抗干扰能力强，精度高，附加功能强等诸多优点。

1.1 DS18B20的内部结构

DS18B20的内部结构如图2[2]所示 。主要由四部分组成：光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL配置寄存器。

图2 DS18B20 内部结构图

1.2 DS18B20 测温原理

DS18B20测温原理：低温度系数晶振振荡固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化振荡率明显改变，产生信号作为计数器2脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1预置值减到0时，温度寄存器值将加1，计数器1的预置重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

1.3 DS18B20的工作过程

参照图2，访问DS18B20的流程：初始化，发送ROM命令，发送功能命令，使主设备知道从设备存在并可以工作。通过发送ROM命令可以知道某特定的DS18B20是否存在或者是否超过温度设定闸门值。

发送功能命令，即可读写DS18B20的存储区，启动温度转化，设定电源供电方式。每个命令均对应不同代码，在总线上传送时，由器件根据接收代码完成相应操作。DS18B20的单线通信功能为分时完成。主要操作时序分为：初始化、主机写0、主机写1、主机读0、主机读1。

2 FPGA监测控制单元

2.1 FPGA芯片

本研究采用支持SOPC的芯片EP2C8Q208作为系统控制器。它是Cyclone II系列的FPGA芯片，支持Nios II嵌入式处理器。采用这个系统解决方案可以缩短开发周期、减少器件数目、提高了系统可靠性，使系统易实现、易升级、易移植，具有较强的适应性和可扩展性。

2.2 FPGA通信、控制过程

在FPGA芯片中设计接口，用该接口对温度传感器DS18B20进行检测采集，测得温度值存入FPGA内部寄存器中作数据处理，计算比较当前热量值是否足够达到平衡，使整个系统做出反应进行相应控制，如控制制冷系统闸门开启个数及报警指示等。

EP2C8Q208通过使用Quartus II软件、Nios II集成开发环境(IDE)，可以很好地完成对系统的控制。本研究根据系统的偏差变化率来控制，温度控制系统的结构如图3所示。

图3 控制器构成的控制系统结构

(1)

由于采样过程中采样周期固定不变，为简化运算过程，本设计中用偏差变化量来代替偏差变化率，如式(2)所示。

(2)

1)偏差e的计算。由于时刻k时偏差为e(k)=r-c(k)，对于FPGA来说只要一个减法器便可实现运算。设在FPGA设计中当前时刻为n，则偏差E(n)：E(n)=R-C(n)=R+NOT{C(n)}+Cin。一般设定值和实际值都是正数，此时偏差为：

E(n)=R-C(n)={0，R}+NOT{0，C(n)}+Cin

(3)

(4)

式(4)中，X1(n)、X2(n)用来判断偏差的范围，X3(n)、X4(n)用来判断偏差变化率的范围。

X1(n)=E(n)+E0=E(n)-(-E0)

(5)

根据公式(5)可以推断偏差的工况，即：

IF Xl(n)符号位为‘1’

THEN Xl(n)<0 //即E(n)< (-E0)

IF Xl(n)符号位为‘0’，

THEN Xl(n)1≥0 //即E(n)≥(-E0)

3 结语

通过对DS18B20数字传感器结构性能、温度采集方式、通信过程进行分析，同时对FPGA芯片EP2C8Q208的使用特点进行分析，研究出合理的将二者有机结合，应用于制冷工况的温度控制方法。该系统时时接收温度参数，计算比较热量值是否达到要求，并做出相应的温度控制，以其非常简洁的硬件电路、稳定的方式控制系统制冷量。本研究亦可扩展报警指示等功能，具有广泛应用前景。

[参考文献]

[1] Robert Francis, Jonathan Rose, Zvonko Vranesic. Fast technology mapping for lookup table-based FPGAs [C]. Proc of the 28th conference on ACM/IEEE design automation, 1991, 27-233.

[2] DS18B20 Datasheet [ EB/ OL ]. Dallas : Dallas Semiconductor Corporation ,2005.

[3] Narashiman Chakravarthy, Ji-zhong Xiao. FPGA-based control system for miniature robots.The IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems[C].Beijing.2006:3399-3404．

[4] 谭思云,徐武雄.九点控制器的动态性能研究[J].武汉理工大学学报,2002,24(11)：78-79.

[5] Sun Xiao-ming，Zhang Nan-lun．Nine-Point controller[C]．Proceedings of the 4th World Congress on Intelligent Control and Automation，Shanghai，China，2002, 644-648．