基于FPGA SOPC的温度控制系统设计

王佳宁 于存江 程子轩

摘 要：本文介绍了一种基于FPGA/SOPC和温度传感器DS18B20的硬件电路温度控制方法。利用DS18B20采集数字信号，采用FPGA芯片进行数据处理，并通过处理后的数据对继电器进行控制，从而实现对温度的实时调控。本设计利用Verilog HDL在开发环境下进行硬件电路的设计。最后利用MODELSIM软件进行模拟仿真试验，在0℃～55℃范围内，测量误差为±1℃，从而实现硬件电路的温度控制。

关键词：FPGA SOPC DS18B20 温度控制

中图分类号：TN47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0020-02

现今，电子元器件在工业领域当中得到了非常广泛的应用，但是其应用效果和作用在不同的温度环境下的表现也有较大差距。那么，如何更好地发挥元件的功能，就需要提高整个元件的稳定性，也要保持元件的最佳工作温度。在这里，温度控制链路就起着非常重要的作用。然而，普通的温控系统对温度采集和数据处理间存在很多不平衡的缺点，如何解决温度采集和处理数据的实时性和精确性，就需要合理的设计方案。综合考虑，本设计是一种在FPGA上实现SOPC温度采集和监测控制系统。

SOPC（System On a Programmable Chip）即可编程片上系统，它将CPU、ROM、RAM、I/O端口和DSP集成到一个FPGA芯片中。SOPC的设计灵活开放，可以软硬件剪裁、扩展、升级、并具有可编程功能。

1 系统总体方案设计

温度控制系统的设计包括以下几个部分：FPGA、DS18B20、MAX232、报警模块、继电器模块和1602LCD等。整个温度控制系统使用传感器采集数据，并输出显示，再经过DA转换来控制继电器，通过MAX232串口转换后，可以准确地进行实时温度显示，并实现系统温度的控制。总体设计流程图如图1所示。

系统设计采用基于NiosII软件的SOPC设计方案，通过NIOSII实现系统的软核实现，并完成了MCU的中央处理和控制功能。

基于硬件描述语言，通过MCU的软核处理，对温度传感器进行初始化工作。温度传感器采集到实时模拟量经过转换和处理，传输到液晶显示屏1602中进行显示，并且控制固态继电器工作。并通过报警系统进行测量越界警报在器件选择上，采用大容量的FPGA芯片，可以有以下选型，如采用Altera公司的Stratix、CycloneⅡ等FPGA芯片。本系统采用CycloneⅡ系列，型号为EP2C8Q208C8的芯片。该芯片包含多达8千个逻辑单元，可以满足该系统的高性价比的需求。

2 温度的采集和显示

DS18B20数字温度传感器被广泛使用。它具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等特点。并且因为它具有多点联网功能，多个传感器收集的数据可以同时并联。

2.1 温度采集模块

DS18B20由单总线进行初始化。在初始化过程中，确定是否成功检测到传感器。如果检测成功，则执行延迟函数并将数据线使能拉高以完成传感器的初始化；若检测不成功则复位。DS18B20经过CRC认证验证，读取采集的模拟量和数据转换。

2.2 温度显示模块

在LCD显示模块中，使用两行液晶显示器1602。温度传感器DS18B20初始化后，序列号识别由1602执行。初始化完成后，LCD可以实时显示采样的温度以及温度监测范围，并可以通过继电器控制温度。

3 数据处理和仿真

由于DS18B20的特性，收集后输出数字信号，那么在数据??处理过程中，对所有数字信号进行处理，但MCU需要通过模拟信号量对继电器进行控制，即数字信号需要通过DA转换为模拟信号量进行处理。因此该系统使用具有多通道多路DA转换芯片tlc5620。

利用modelsim软件，对设计系统进行软件仿真.得到仿真结果如图2所示。

如图2所示，ds是温度控制信号，clk_relay信号是继电器控制信号。继电器在温度控制部分的输出为0时，启动工作，并实现整个系统的温度控制功能。从图中可知，温度的输出信号决定着继电器工作状态，该信号并不是周期性的输出，而是随温度的变化而规律变化。通过控制继电器可以调节温度，最终实现了对整个系统的温度控制。

4 结语

通过仿真软件的验证，说明该系统设计符合要求，设计温度范围为0℃～50℃，控制精度达到±0.1℃。最后，利用AD设计软件实现PCB电路圖的绘制和加工，实现整个温控系统的软硬件设计。

表1中的数据表明，测量精度可以达到±0.1°C，温度最大误差达到1.4°C。温度控制系统可以满足高精度可控要求。

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