基于fpga的空调控制系统设计.docx

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1、基于 FPGA 的空调控制系统设计摘要本论文主要任务是设计基于 FPGA 的空调控制系统的设计。本课题的设计采用了温度传感器 DS18B20，Altera 公司 ACEX 1K 系列的 EP1K30TC144-3 控制器。控制器部分采用 VHDL 语言编写，主体程序采用了状态机作为主要控制方式。硬件主要有五大模块：温度设置模块、 定时模块、LED 显示模块、分频模块、FPGA 控制器模块。最后实现使用 FPGA 比较设置温度与测量所得温度，并发出指令给空调电机执行部分，按设置的时长实现升温或降温，当设置温度与测量温度相等时，不执行调节温度功能。另外要能根据输入数据的变化和温度传感器测量得到的温

2、度同步变化 LCD 上显示。利用 Quartus II进行仿真。该课题的研究将有助于采用 FPGA 的系列产品的开发。同时可以大大缩短 FPGA 的开发时间。另外，由于模块的易用性，也将使得更多的采用 FPGA 产品应用于温控领域，为行业和我们的生活带来新的变化。关键词FPGA/温度测控/VHDL/DS18B20The Design Of Air Conditioner Based On FPGAAbstractThis paper main task is based on FPGA design of the air conditioning control system design.

3、This topic was designed using temperature sensor DS18B20, Altera company ACEX 1 K series of EP1K30TC144-3 controller. Controller of the VHDL language, the main program as a state machine main control mode. Hardware mainly have five modules: temperature setting of the module, regular module, LED disp

4、lay module, points frequency module, FPGA controller module. finally realize the FPGA set temperature and compared using the temperature measurement, and sent out the instructions to air conditioner motor executive part, according to the set time heating or cooling realized, when set temperature and

5、 measuring temperature equal, not to enforce temperature adjustment function. In addition to the change of the data according to the input and temperature sensor measuring the temperature change get synchronous displayed on the LCD. Use Quartus II was simulated.This topic research will help based on

6、 FPGA series of products development. At the same time can greatly shorten the FPGA development time. In addition, because of the module usability, will also make more based on FPGA products used in the temperature fields, for the industry and our life brings new changes.Key wordsFPGA ,temperature m

7、easurement and control ,VHDL ,DS18B20V目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题的背景和意义11.2 课题的内容及方法11.3 论文结构安排22 可编程逻辑器件32.1 可编程逻辑器件介绍32.1.1 PLD 的发展历程32.1.2 可编程逻辑器件的结构32.1.3 可编程逻辑器件的分类42.1.4 可编程逻辑器件的应用52.1.5 可编程器件的前景及趋势52.2 EDA 技术52.3 VHDL 语言62.3.1 VHDL 的特点62.3.2 VHDL 的设计步骤63 系统及电路方案选择73.1 空调技术概述73.2 方案论证与确定73.2.1

8、方案的选择73.2.2 方案论证与确定84 硬件电路设计94.1 硬件整体结构及原理94.2 高精度数字传感器 DS18B2094.2.1 温度传感器的介绍94.2.2 温度传感器的选择104.2.3 DS18B20 数字温度传感器介绍104.3 控制器芯片介绍134.3.1 ACEX1K 器件的特点134.3.2 ACEX1K 功能描述144.4 LED 显示电路144.5 系统总电路图155 系统软件设计175.1 温度设置模块175.2 定时模块195.3 控制模块225.3.1 控制模块下的温度模块235.3.2 控制模块下的 FPGA 控制器模块245.3.3 控制模块整体255.4

9、 显示模块275.5 分频模块305.6 基于 FPGA 的空调控制系统综合仿真32总结33致谢34参考文献35附录361 绪论1.1 课题的背景和意义当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会，数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规 模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集电路。但是，随着微电 子技术的发展，设计与制造集成电路的任务己不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计 师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望 ASIC 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 ASIC

10、芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编 程逻辑器件(CPLD)。大规模可编程逻辑器件 CPLD 和 FPGA 是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路，电子设计工程师利用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电 路，从而大大缩短产品的上市时间，降低了开发成本。此外，可编程逻辑器件还具有静态 可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改， 这样就极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性。由于具备上述两方面的特点，CPLD 和 FPGA 受到了世界范围内广大电子设计工

11、程师们的普遍欢迎，应用日益广泛。随着微电子技术的飞速进步，电子学进入了一个崭新的时代，其特征是电子技术的应 用正以空前规模和速度渗透到各行各业。PLD 的广泛应用，为各行业的电子系统设计工程师自行开发本行业专用的 ASIC 提供了技术和物质条件。PLD 作为当今电子设计领域应用最广泛的可编程器件之一，其原因是多方面的，PLD 高集成度、可现场修改、开发周期短等优点满足了从军用到民用、从高端到低端的大多数电子设计领域的需求。而可编程逻辑器 件从出现至今只有短短二十年的发展历史，有很多电子设计工程师以至可编程逻辑器件产 品的用户对这一器件的特性、优势还不是非常了解，部分有经验的设计师依然习惯于用单

12、 片机等传统工具从事电路设计，这样就影响了电子产品的市场竞争力，也忽略了产品的升 级空间。因此，十分有必要对PLD 这一族器件进行全面细致的分析研究，从而更好地利用PLD 的优势为电子设计服务。31.2 课题的内容及方法本文主要介绍了可编程逻辑器件在数字系统设计中的应用，本文研究的脉络是以可编49程逻辑器件的主要应用特性为主线，分析可编程逻辑器件应用研究的必要性和现实意义 ; 探讨可编程逻辑器件结构特点上以及在数字系统设计中与传统电子器件的区别 ;比较主要的 PLD 大公司的产品、设计工具和编程语言，分析各公司产品的优势和不足。同时本文以基于 FPGA 的空调温度控制系统设计为实例，比较形象地

13、展现了可编程逻辑器件在数字系统设计中的特点和优势。同时也使的对可编程逻辑器件的应用研究具体形象。1.3 论文结构安排本文一共分为章，各章的内容如下：第一章 介绍了课题研究的背景和意义，以及本课题的主要内容和研究方法。第二章 对可编程逻辑器件的发展历程、结构、分类、应用前景、发展新趋势等做了比较细致的介绍和分析。第三章 对可编程逻辑器件具体的应用实例“基于 FPGA 的空调温度控制系统”做一个方案论证，通过与一个用单片机为核心芯片来进行设计的方案进行比较，使得用可编程逻辑 器件来进行系统设计具有的优越性。第四章 对空调温度控制系统进行硬件电路的设计。第五章进行系统软件设计，将整个系统分为若干个分

14、模块以及各模块的 VHDL 描述和仿真波形。最后对本次设计进行总结，并指出其中有待于完善之处。2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是一类半定制的通用性器件， 与专用集成电路 ASIC 相比，PLD 具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势，因而得到了广泛应用。说到 PLD 的应用就不得不说到 EDA 技术和 VHDL 语言，因为 PLD 的应用是离不开 EDA 技术和 VHDL 语言的支持。下面分别对这三个部分进行介绍。2.1 可编程逻辑器件介绍2.1.1 PLD 的发展历程从可编程逻辑器件的发展历史上看，其主要经历了从 PROM

15、、PLA、PAL、EPLD 到 CPLD 和 FPGA 的发展过程。它在结构、制造工艺、集成度、逻辑功能、速度和功耗上都有了很大的提高和改进。通常，可编程逻辑器件的发展历史如下：20 世纪在 80 年代末，出现了 FPGA；CAE 和 CAD 技术的应用更为广泛，它们在 PCB 设计方面的原理图输入，自动布局布线及 PCB 分析，以及逻辑设计等方面担任着重要的角色。20 世纪 90 年代后，在生产工艺方面，可编程逻辑器件的线宽越来越小，集成门数越来越大，功耗越来越低；在测试技术方面，可编程逻辑器件大多数均可采用边界扫描测试 技术；在逻辑功能上，上实现 DSP（数字信号处理）应用成为可能。仿真和

16、设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的 EDA 软件不断推出。2.1.2 可编程逻辑器件的结构PLD 基本结构：PLD 的基本结构由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等4 部分组成。新型的 PLD 则将输出电路做成宏单元，使用户可以根据需要选择各种灵活的输出方式。目前使用最广泛的可编程逻辑器件是 CPLD 和FPGA。CPLD：早期的CPLD 主要用来代替 PAL 器件，所以其结构与PAL、GAL 基本相同，采用了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。目前主要的半导体公司，如 Xilinx 和 AMD 公司等。大多数的 EPLD、CPLD 器件中至少包括 3 中结构：可编程逻辑宏单元、

17、可编程 I/O 单元和可编程内部连线。FPGA：在 FPGA 中，常用的编程工艺有反熔丝和 SRAM 两类。反熔丝工艺占用面积小， 有利于提高芯片集成度但需要专门的编程器，且只能进行一次性编程。 Altera 公司的与非门结构基于一个由与门、或和异或门组成的逻辑快。这个基本电路可以用一个触发器和 一个多路开关来扩充。12.1.3 可编程逻辑器件的分类随着微电子技术的发展，可编程逻辑器件品种越来越多，型号越来越复杂。目前 PLD 尚无严格的划分标准，下面仅从集成度、可编程原理及结构特点三方面对 PLD 进行简单的分类。按集成度分类：PLD 从集成密度可分为低密度可编程逻辑器件（ LDPLD）和高

18、密度可编程逻辑器件（HDPLD）两类。通常，当 PLD 中的等效门数超过 500 门时，则认为它是高密度。其具体的划分如下图：PLDLDPLDHDPLDPRPLPAGACPEPFP图 2-1 PLD 结构图按可编程原理分类：从可编程特性上可以将 PLD 分成一次性编程和重复可编程两类。一次性可编程的典型产品是 PROM、PAL 和熔丝型 FPGA，其他的可编程产品大多是重复可编程的。一次性可编程器件的优点是集成度高、工作频率而后可靠性高、抗干扰能力强。而重复可编程器件的优 点是可多次修改设计，特别适用与系统样机的研制。按结构特点分类：目前常用的可编程逻辑器件都是从与阵列、或阵列和门阵列发展起来

19、的，所以可以从 结构上将其分为两大类。1. 阵列型 PLD阵列型 PLD 的基本结构由与阵列和或阵列组成。简单 PLD（PROM、PLA、PAL 和 GAL、EPLD、和 CPLD）都属于阵列型 PLD。2. 现场可编程门阵列 FPGAFPGA 具有门阵列的结构形式，它是由许多可编程逻辑单元（或逻辑功能块）排成阵列组成的，所以也将 FPGA 称为单元型 PLD。2.1.4 可编程逻辑器件的应用可编程逻辑器件在电子领域的应用主要有两方面： 1.PLD 在 ASIC 设计中的应用把一个有专用目的，并具有一定规模的电路或子系统集成化而且设计在一芯片上，这就是专用集成电路 ASIC 的设计任务，通常A

20、SIC 的设计要么采用全定制电路设计方法，要么采用半定制电路设计方法进行检验，若不满足要求，还要重新设计再进行验证。目前，HDPLD 有两种用途：一是用于最终产品；一是用于 ASIC 化的前道工序的开发试制品。2. 基于 EDA 的 CPLD/FPGA 应用电子产品的高度集成数字化是必由之路，我国的电子设计技术现在又面临一次新突破 即 CPLD/FPGA 在 EDA 基础上的广泛应用。CPLD/FPGA 以其不可替代的地位以及伴随而来的具有经济特征的 IP 芯核产业的崛起，正越来越受到业内人士的观注。2.1.5 可编程器件的前景及趋势CPLD/FPGA 的设计开发采用功能强大的 EDA 工具，

21、设计成功的逻辑功能软件有很好的兼容性和可移植性，开发周期短。目前 PLD/CPLD 约占全球市场规模的 6 成 ，IP 内核得到进一步发展。具体体现在：1. PLD 正在由点 5V 电压向低电压 3.3V 甚至 2.5v 器件演进，降低功耗。2. ASCI 和 PLD 出现相互融合。3. ASIC 和 FPGA 之间的界限正变得模糊。4. 集成度不断提高,价格不断降低，向系统级发展。2.2 EDA 技术EDA 是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在 20 世纪 90 年代初从计算机辅助设计（ CAD）、计算机辅助制造（ CAM）、计算机辅助测试（

22、 CAT）和计算机辅助工程（ CAE）的概念发展而来的。EDA 技术就是以计算机为工具，设计者在 EDA 软件平台上，用硬件描述语言 HDL 完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映 射和编程下载等工作。2.3 VHDL 语言VHDL 的 英 文 全 名 是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于 1982 年。VHDL 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计，或称

23、设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分及端口）和内部（或称不可视部分）， 既涉及实体的内部功能和算法完成部分。22.3.1 VHDL 的特点应用 VHDL 进行系统设计，有以下几方面的特点： (1)功能强大，设计方式多样(2)具有强大的硬件描述能力(3)具有很强的移植能力(4)设计描述与器件无关(5)程序易于共享和复用由于 VHDL 语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言，因此它减小硬件电路设计的工作量，缩短开发周期。102.3.2 VHDL 的设计步骤采用 VHDL 的系统设计，一般有以下 6 个步骤：(1) 按要求的功能模块划分；(2)

24、VHDL 的设计描述（设计输入）；(3) 代码仿真模拟（前仿真）；(4) 设计综合、优化和布局布线；(5) 布局布线后的仿真模拟（后仿真）；(6) 设计的实现（下载到目标器件）。3 系统及电路方案选择3.1 空调技术概述世界空调的发展可分为四个阶段。首先是后风扇时代，典型特征是功能仅限制于制冷制热，技术含量低；接下来是纯空调时代。这个时代的最显著标志是空调成为真正意义的空气调节器。不光调节空气的温度，对空气的舒适度也进行调节；随着各国政府对空调的能耗标准提出要求。空调进入了超空调时代，其显著特点是空调不仅仅是空调。还能满足节能环保的要求；在以网络信息代表的 2l 世纪，作为家电产品的空调器也必

25、将随之步入网络信息时代。为了最大限度地节约能耗，开辟新能源的利用，同时空调越来越趋于智能化。 总之空调技术的研究发展很快，并且开发出了种类繁多的空调产品3。3.2 方案论证与确定3.2.1 方案的选择目前大多数的的空调温度控制系统都采用了以单片机作为控制器的设计，但是随着可 编程逻辑器件的发展，家用电器的控制部分也越来越多地使用可编程逻辑器件来实现，所 以下面提供了以单片机和可编程逻辑器件（FPGA）为核心控制器件的 2 个方案进行选择。方案 1：该方案采用的是 AT89C51 单片机为核心控制器件，用它来处理各个单元电路的工作以及检测其运行情况。首先通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集的

26、温度信号作 A/D 转换，使其模拟信号转变成数字信号，然后输给单片机，再由单片机控制显示， 并比较采集的温度与设置的温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况，本设计中采用的是 AD590 温度传感器， 通过温度系统采集电路采集相关温度数值，再由 AD0809 组成的 A/D 转换电路进行转换， 最终的到数字信号，将其直接输给单片机，然后由单片机机根据内部程序判断，执行相关控制程序，驱动个单元电路的工作11。 其方框图 3-1 如下:LED 显A/D可控风可控电图 3-1 基于单片机的空调控制系统框图温度控制4器9空 调方案 2：该方案以

27、 FPGA 为核心控制器件，采用数字温度传感器 DS18B20 进行温度采集，将采集到的温度数字直接以数字信号传输给 FPGA 控制器，控制器通过比较采集的温度和用户设置的温度来做出发送降温还是加热的控制信号给空调机。同时通过 FPGA 芯片还可以实现定时和控制显示，使用 6 个数码管将传感器测量到的温度，设置的温度、定时时长都显示出来。其方框图 3-2 如下：温、时LED图 3-2 基于 FPGA 的空调控制系统框图3.2.2 方案论证与确定通过比较两个方案，方案 1 采用单片机为核心控制器件，该方案的优点是容易控制， 系统原理比较简单，电路可靠，容易实现控制目的。但是该方案中的温度测量电路

28、，译码 电路复杂，容易产生误差和由电路复杂而导致的设备使用寿命低等一系列问题。方案 2 采用的是以 FPGA 为核心控制器件，同时温度传感器采用的是高精度的数字温度传感器DS18B20，通过该传感器采集的温度信息不需要经过信号放大和 A/D 转换直接以数字信号的形式传递给控制芯片，使得电路的连接大大的简化了，减小了电路复杂所带来的误差等 问题。而且 FPGA 芯片所具有的可编程修改的特点以及其强大的逻辑功能都是单片机难以达到的，这样不但给设计过程中带来一系列的便利，而且在空调的功能日趋人性化和智能 话的发展趋势下，以 FPGA 为控制器件的设计无疑更加具有市场竞争力。所以同过上面的对两个方案的

29、比较论证，本次设计采用方案 2 来实现4。4 硬件电路设计4.1 硬件整体结构及原理硬件电路主要包括电源、石英晶振、温度传感器、FPGA 控制器、数码管显示组成。本设计使用的 FPGA 芯片是 Altera 公司的 ACEX 1K 系列的 EP1K30TC144-3，温度传感器采用高精度数字温度传感器 DS18B20。整个硬件的框图如图 4-1 所示：49按20MH数码管电FPGA空调执温 度图 4-1 整个硬件框图整个电路的工作原理是由 20MHz 石英晶振 FPGA 提供时钟信号。电源电压为 3.3V 和2.5V。数字式温度传感器 DS18B20 将采集的温度以数字信号的形式直接传递给 F

30、PGA 芯片， 用户可通过按钮根据需要设置温度值和定时时长。测量温度和设置温度都送给 FPGA 控制器，控制器对两个温度值比较并做出判断，当测量温度大于设置温度时，控制器发出制冷的控制信号；当测量温度小于设置温度时，则发出加热控制信号；当两者相等时既不制冷也不加热。通过空调执行机构来达到改变环境温度的目的。同时，将定时的时长和设置温度的值通过 6 个数码管显示出来9。4.2 高精度数字传感器 DS18B204.2.1 温度传感器的介绍温度传感器是一种以一定的精确度把被测量温度转换为与之有对应关系的便于应用的某些物理量的测量装置。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是 信号转换或

31、信息处理，或者是数据的显示与控制都是不可能实现的。下面介绍传感器的特 性。衡量传感器静态特性的重要特性的重要指标是：(1) 线性范围：即传感器的输出量与输入量成正比的范围。理论上线性范围越宽，量程 越大，并且能保证一定的精度。当传感器种类确定时，首先要看其量程是否满足要求。(2) 稳定度：传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力。(3) 精度的确定：传感器精度越高，价格越高。因此只要传感器的精度满足整个测控系统即可，不必选的太高。(4) 灵敏度：通常情况下，在传感器的线性范围内，传感器的灵敏度越高越好。4.2.2 温度传感器的选择按照电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常

32、称为热敏电 阻，后者称为热电阻。方案一：采用温度传感器铂电阻 Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，而此元件线性较好。在 0 C -100 C 时，最大线性偏差小于0.5 C 。铂热电阻与温度的关系是：Rt= Ro(1+At+Bt t)；其中 Rt 是温度为 t 摄氏度时的电阻；Ro 是温度为0 C 时的电阻；t 为任意温度值，A，B 为温度系数。但其成本太贵，不适合做普通设计。方案二：采用集成温度传感器，如 DS18B20 智能温度控制器。单线数字温度传感器 DS18B20 简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济，数字化。DS18B20 测量温度范围为

33、-55 C -+125 C ，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20 可以程序设置 912 位的分辨率，可以设置的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存5。方案选择：选择方案二。理由：电路简单可靠，不需要 A/D 转换直接同 FPGA 芯片相连。4.2.3 DS18B20 数字温度传感器介绍DS18B20 特点：DS18B20具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。可直 接将温度转化成串行数字信号供微机处理。DS18B20的性能特点如下：(1) 独特的单线接口引脚进行通信；(2) 多个DS18B20可以并联在唯一的三线

34、上，实现多点组网功能；(3) 无须外部器件，零待机功耗；(4) 可以通过数据线供电，电压范围3.05.5V；(5) 温度以9或12位数字读出；(6) 用户可定义的非易失性温度报警设置；(7) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；(8) 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20 的内部结构：DS18B20有4个主要的数据部件：（1）64位激光ROM，温度灵敏元件。（2） 非易失性温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入用户报警上下限值。（3） 配置寄存器。DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值。DS1

35、8B20内部结构框图如图4-2所示:I/O存储器与控CV DD64位ROM和单线高速缓温度传高温触发配置寄 低温触发8 位CRC 发图 4-2 DS18B20 内部结构框图图 4-2 所示为 DS18B20 的内部结构框图。它主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激光 ROM 单线接口、存放中间数据的高速暂存器，用于存储用户设置的温度上下限值的 TH 和 TL 触发器存储与控制逻辑，8 位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分,其测得的温度数据如表所示。当符号位S=0 时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S=1 时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再

36、计算十进制值。表 4-1 是一部分温度值对应的二进制温度数据。温度/二进制表示十六进制表示07D0H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90H表 4-1 温度值对应的二进制温度数据+1250000011111010000+25.06250000000110010001+10.1250000000010100010+0.5000000000000100000000000000000000-0.51111111111111000-10.1251111111101011110-25.06251111111001101111-551111110010010000数

37、据来源：FPGA 与 DS18B20 组成的测温系统的设计DS18B20 的芯片结构：DS18B20 采用 3 脚 PR-35 封装或 8 脚 SOIC 封装。其管脚排列如图 4-2-3（b）所示。1I/OVDD8DS18B202GNDNC7DN O C G /I VC3NCNC64NCNC51 2 3DS18B20PR-35封装SOIC封装图 4-3 DS18B20 管脚排列图中 GND 为地。I/O 为数据输入/输出端（即单线总线）。该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。VDD 是外部+5V 电源端，不用时应接地。NC 为空脚。DS18B20 的供电方式有两种：一种为寄生电源，另一种为外加电

38、源。用户也可通过 1 线端口对 DS18B20 进行操作，其步骤为：复位-ROM 功能命令-存储器功能命令-执行/数据。在本设计中采用的是DS18B20 的 3 脚封装形式。DS18B20 的测温原理DS18B20 的测温原理如图 4-4 所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入。图中还隐含着记数门，当记数门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行记数，进而完成温度测量。记数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前首先将

39、-55所对应的一个基数分别置入减法计数器 1、温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法记数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置值将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行记数，如此循环直到减法计数器 2 记数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。斜率累加器用语补偿和修正测温过程中的非线形性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要记数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值

40、。4DS18B20 测温原理如图 4-4 所示:斜率累预比低温度系数计 数预=0温 度 寄高温度系数计 数停=0图 4-4 DS18B20 测温原理4.3 控制器芯片介绍本次设计使用的是 Altera 公司 ACEX 1K 系列的 EP1K30TC144-3。ACEX 1K 是2000 年推出的 2.5V 低价格的 SRAM 工艺的 PLD。4.3.1 ACEX1K 器件的特点（1） 具有宏功能的增强嵌入式阵列（如实现高效存储和特殊的逻辑功能）和实现一般功 能的逻辑阵列，每个 EAB 的双口能力达到 16-bit 宽，可提供低价的可编程单芯片系统集成。（2） 高密度：1 万到 10 万个典型门

41、，高达 49152 位内部 RAM（每个 EAB 有 4096 位，这些都可在不降低逻辑能力的情况下使用）。（3） 系统级特点：多电压借口支持 2.5V、3.3V 和 5V 设备；低功耗；双向 I/O 性能达到250MHz；完全支持在33MHz 或 66MHz 下 3.3V 的 PCI 局部总线标准；内置 JTAG 边界扫描测试电路；可在 2.5V 内部电源电压下工作；通过外部的配制器件、智能控制器或JTAG 端口可实现在线重配置。（4） 灵活的内部连线：快速、可预测联县延时的快速通道；实现算术功能（诸如快速加法器、计数器和比较器）的专用进位链；实现高速、多扇入功能的专用级联链；实现内部 总线

42、的三态模拟；多达 6 个全局时钟信号和 4 个全局清除信号。（5） 强大的 I/O 引脚：每个引脚都有一个独立的三态输入、势能控制和漏极开路配置选项；可编程输出电压的摆率控制可以减小开关噪声。4.3.2 ACEX1K 功能描述每个 ACEX1K 器件包含一个实现存储及特殊逻辑功能的增强型嵌入式阵列和一个实现一般逻辑功能的逻辑阵列。（1） 嵌入式阵列由一系列的 EAB 组成，当实现存储功能时，每个 EAB 提供 4096 位； 当实现逻辑功能时，每个 EAB 可以提供 100 至 600 个门。EAB 可以独立使用。（2） 逻辑正列由逻辑块组成。每个LAB 包含 8 个逻辑单元（LE）和一个局部

43、互联。一个LE 由一个 4 输入LUT、一个可编程触发器和为实现进位及级联功能的专用信号路径组成。8 个 LE 可实现中规模的逻辑块，如八位计数器、地趾解码器和状态机，也可以跨 LAB 进行结合以实现更大的功能块。每个 LAB 代表大概 96 个可用逻辑门。（3） ACEX1K 器件的内部的信号连接是通过快速通道互连布线结构实现的，快速通道是遍布整个器件长、宽的一系列快速、连续的水平和垂直的通道。（4） 整个I/O 引脚由 I/O 单元（IOE）驱动。IOE 位于快速通道互联结构的行和列的末端，每个IOE 包含一个双向 I/O 缓冲器和一个可驱动输入信号、输出信号或双向信号的输出寄存器或输入寄

44、存器。IOE 还具有许多特性，比如JTAG 编程支持、摆率控制、三态缓冲和漏极开路输出6。4.4 LED 显示电路发光二极管 LED 是能将电信号转换成光信号的发光器件，7 段 LED 数码管则是在一定形状的绝缘材料上，利用单只 LED 组合排列成的“8”字型，分别引出它们的电极，点亮相应的笔段来显示出 0-9 的数字。7 段 LED 数码管则是在一定形状的绝缘材料上，利用单只 LED 组合排列成的“8”字型，分别引出它们的电极，点亮相应的笔段来显示出 0-9 的数字。根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，将多只 LED 的阴极连在一起即为共阴式， 而将多只 LED 的阳极连在一起即为共

45、阳式。它们的发光原理是一样的，只是电源极性不同。以共阴式为例，若把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。8LED 的显示方式分为静态显示和动态显示。所谓 LED 静态驱动：静态驱动是指每个数49码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动：其点亮和关闭有该 I/O 口来对其控制，互不干涉，对I/O 驱动能力弱的 MCU，必须增加外部驱动芯片或三极管等器件。此种设计一般应用在单个 LED 的驱动或LED 数量较少，且所选的 MCUIO 比较充裕的情况下。LED 的动态显示方式: 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一

46、种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划a,b,c,d,e,f,g, h，dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制， 当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示 出字形，取决于单片机对位选通端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通 控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码 管的公共极，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位 数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一 组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，却能够节省