基于FPGA智能温度传感器监控报警系统的设计

王晓鹏

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Nios II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Verilog HDL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

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

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