基于FPGA的无线发射接收温度控制系统

2013-10-08王振红刘杰林王颖彭玉玺魏广举陈浩健

中国科技信息 2013年18期

王振红刘杰林王颖彭玉玺魏广举陈浩健

北方工业大学

本系统采用复杂可编程逻辑门阵列EP1K100QC208-3作为控制核心,控制数字温度传感芯片采集温度并将适时温度与预设的人体最佳感应温度进行比较，得出升温、降温和保持信号,既实现了温度控制又实现节能。将得到的温度数据显示到数码管上，并把升温、降温信号编码后发射到接收端。接收端对接收的信号解码后得到加温还降温信号，再将此信号驱动放大后则可以驱动步进电机等（本设计用发光二极管点阵代替步进电机）。

1 温度采集与发射部分

温度采集与发射部分框图如图1所示。其中温度采集，采用的是数字温度传感芯片LM75A。LM75A是普通温度传感器件，将温度信号转换成为电压信号，然后利用内嵌的AD转换器件将模拟温度信号转换成为数字温度信号。LM75A包含多个存储器，主要是存储工作模式控制字和存储温度数据。

图1 温度采集与发射部分框图

温度采集与发射部分的FPGA信号处理及系统控制单元，首先要控制温度传感器工作，就是要向数字温度传感芯片LM75A的温度寄存器写入工作状态控制字，并且将正确的温度寄存器数据读出。得到正确的温度数据后FPGA需要计算成十进制温度数据并显示到数码管上，除了要显示到数码管上以外还得将温度数据与预设的数据比较判断得出升温和降温信号。

温度采集与发射部分的末端是数码显示模块和发射模块，显示模块由四位LED数码管构成。负责显示温度传感器采集到的实时温度数据。无线发射模块将温度控制信号发射到接收端，接收端接收到信号后再去控制控温设备来调节温度系统的温度。

2 接收与温控部分

接收端框图如图2所示。接收端接收模块接收升温和降温信号，并将信号传给FPGA处理，由FPGA处理后去控制温度控制设备等，本系统采用发光二极管点阵代替温度控制设备。

图2 接收端框图

3 程序设计

本系统的控制是使用Quartus II软件和VHDL语言实现。系统软件框图如图3所示。

图2.系统软件框图

系统CLK输入是为系统工作提供基准时钟源24MHz。TIME模块为LM75A时序控制模块，负责设定LM75A的工作模式，让LM75A芯片工作在正常工作模式下，即定期将温度转换后把数据存储到温度寄存器中。TIME模块的另一个功能是负责从LM75A中读取温度数据并存储到FPGA中。得到温度数据后要将温度数据显示在数码管上，数据经过MUL模块实现数据的计算（得到的温度数据DATA_OUT[10..0]×0.125℃）将温度信号转换成十进制数据，再经过DISP模块去实现数码管的显示控制。另一面温度数据还要和预设的数据比较即经过COMPARE比较器模块,完成温度的比较,得出需要加温还是降温的信号。在将升温信号和降温信号经过无线发射模块发射到接收端。

4 系统连接

温度传感器LM75A电路如图2.4所示。本设计中将地址A0，A1，A2同时设置为接地。所以地址控制字写000即可。配制寄存器写入正常工作模式，OS为比较输出模式，模式控制字即“00000000”，让其工作正常工作模式，从温度寄存器中读取温度控制寄存器temp的数值，经过I2C总线SDA传入FPGA中。经过FPGA计算后输出到数码管上显示并将判断是否要加温或者降温。系统工作在实时工作方式，并不需要检测和中断。所以OS中断线悬空处理。

图4 温度传感器LM75A电路

图5 发射接收模板

发射接收模块如图2.5所示。发射模块FSK-2A带编码芯片PT2262具有四路输入，工作电压直流3～9V，工作频率315MHz。工作电流15mA，编码方式：固定码，传输距离：>500m，输出功率：15dBm (32mW)，传输速率：<10Kbps，调制方式：OOK（调幅），工作温度：-10℃~+70℃。用了两路输入13和12。接收模块四路输出，电源电压5V，VT 是解码有效指示输出脚。ANT 是天线，用24～28cm长的导线。

发射系统连线如图6所示。温度采集芯片LM75A经过数据线SDA和时钟线SCL和FPGA连接到一起，SCL是FPGA向LM75A发出的时钟信号。SDA是双向数据，一是FPGA发向LM75A的控制信号，另一方面是LM75A传向FPGA的温度数据。ADD和SUB分别是FPGA产生的升温和降温信号，分别连接到发射模块的两个不同的13、12上。FPGA控制数码显示的接口是PC[7..0]与数码管的阳极顺序为Pd-G-A，而NE[3..0]则需连接到数码管的阴极依次是高位到低位。

无线接收模块接收到信号后传给FPGA，根据升降温信号显示不同颜色方向的滚动箭头，com[7..0]为点阵的阴极端，red[7..0]，green[7..0]分别连点阵的红，绿灯的阳极。升温降温显示电路如图7所示。