基于FPGA的具有數(shù)字顯示的水溫測控系統(tǒng)

摘要：電壓、電流、溫度等模擬量的監(jiān)測在工業(yè)生活中都有很廣泛的應(yīng)用，通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，可以對其進(jìn)行及時調(diào)整，為人們的生產(chǎn)生活帶來了便利與保證。系統(tǒng)主電路采用Actel公司提供的Fusion系列FPGA，用以實(shí)現(xiàn)溫度控制。由于加熱和制冷部分的條件限制，只采用模擬的方式。電路可實(shí)現(xiàn)溫度的顯示，設(shè)置上、下限溫度，超出范圍報警以及與PC機(jī)通信的功能。系統(tǒng)測量精度和控制精度良好。同時，基于FPGA的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法操作簡單，開發(fā)成本較低，已成為當(dāng)今世界上嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)的主流方法之一。
關(guān)鍵詞：Fusion；內(nèi)部的溫度監(jiān)控模塊；ADC模塊；OLED顯示

測控技術(shù)自古以來就是人類生活和生產(chǎn)的重要組成部分。隨著科技的發(fā)展，測控技術(shù)已進(jìn)入了全新的時代。近年來。電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)廣泛用于自動檢測和自動控制系統(tǒng)中，以致電壓、電流、溫度等的監(jiān)測越來越重要，現(xiàn)在利用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號的情況也越來越多，但數(shù)字系統(tǒng)所處理的信號都是不連續(xù)的數(shù)字信號，而待測的電壓、電流、溫度等都是模擬量，這就需要將監(jiān)測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最終由系統(tǒng)進(jìn)行處理。Actel公司出產(chǎn)的新型FPGAFusion系列解決了數(shù)／模轉(zhuǎn)換及上電不可運(yùn)行等一系列難題。Actel公司宣布推出全新的Fusion融合技術(shù)，為解決混合式信號的方案帶來真正可編程功能的嶄新技術(shù)。融合技術(shù)率先將混合信號的模擬功能、FLASH內(nèi)存和FPGA結(jié)構(gòu)集成于單片可編程系統(tǒng)芯片中。融合技術(shù)將可編程邏輯的優(yōu)勢帶進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域中，而這些應(yīng)用領(lǐng)域直至目前只能采用分立模擬元件和混合信號ASIC供應(yīng)商提供的器件。與此同時，當(dāng)融合技術(shù)與Actel的ARM7和以8051為基礎(chǔ)的軟MCU內(nèi)核共用時，可作為終極的軟處理器平臺。這項(xiàng)新技術(shù)能發(fā)揮Actel以FLASH為基礎(chǔ)FPGA的獨(dú)特優(yōu)勢，包括高絕緣性、三井結(jié)構(gòu)和支持高壓晶體管的能力，以滿足混合信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嚴(yán)格要求。

1 方案選擇
該系統(tǒng)若根據(jù)要求可有多種實(shí)現(xiàn)方案。
方案一 該方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案。選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，當(dāng)反饋的溫度值與設(shè)定值比較后，決定加熱或不回?zé)?。但它使系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，不能用數(shù)碼顯示，不能用鍵盤設(shè)定。
方案二 該方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案。其基本思想與方案一相同，但由于采用上、下限比較電路，所以控制精度提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，而使控制精度做得較高，此外仍不能用數(shù)碼顯示和鍵盤設(shè)定。
方案三 該方案采用CortexM1 FPGA系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件用單芯片完成多方面功能，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示和鍵盤設(shè)定等多種功能，系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。

方案一和方案二是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較麻煩。方案三是采用以CortexM1為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，它能達(dá)到模擬控制達(dá)不到的控制效果，且可實(shí)現(xiàn)顯示、鍵盤設(shè)定等多種功能，又易于擴(kuò)展，大大提高了系統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)所測結(jié)果精度大大提高。故選擇方案三。