基于FPGA智能溫度傳感器監控報警系統的設計

王曉鵬

摘要：溫度的測量和監控在工業生產和日常生活中都有著廣泛的應用，本文基于FPGA工作過程設計出一套以智能傳感器為監測元件的溫度監控報警系統，通過硬件設計和軟件設計，搭建系統模型，最終實現溫度的實時監控和閾值報警。

關鍵詞：閾值；差分技術；時序建模；FPGA

中圖分類號：TN791 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0148-01

隨時科技的進步和社會的發展，各類行業乃至科學研究都需要對溫度的檢測和監控，本文主要基于FPGA技術結合溫度傳感器DS18B20進行溫度監控和報警，該監控報警系統由FPGA芯片、溫度傳感器模快和報警控制模塊三個部分組成，溫度傳感器用來收集現場的溫度信號，溫度信號傳至FPGA芯片后，由芯片進行參數設定和閾值比較，然后將相關的處理結果送至報警模塊，該溫度報警系統主要特點是智能化、成本低，可在監控系統、物聯網等方面應用。

1 元器件及軟件

本溫度傳感器報警系統選用Altera 公司的Cyclone系統的EP1C3t100C8芯片，它的特點是：（1）具有多個存諸器及防擴散信號處理功能；（2）具有存儲器接口設置電路；（3）支持通用串行總線及網絡傳輸接口；（4）采用片內和片外的系統時序管理模式；5支持差分I/O技術和Nios II系列的嵌入式處理器；溫度傳感器采用熱敏電阻生成電信號，屬于智能型傳感器，是美國DALLAS半導體公司新近推出的一種傳感器，其型號為DS18B20，可直接顯示出溫度，也可以根據實際要求實現9-12位的讀數方式，其引腳功能包括數字信號輸入端、輸出端、接地端和外接電源輸入端；采用FPGA芯片可以直接面向用戶、測度靈活、具有多樣I/O引腳、可靜態重復編程、可在線重構等功能；軟件采用Verilog HDL硬件描述語言，它能夠按層次描述數字系統，可同時進行時序建模，支持的功能強大、易于修改、程序設計獨立于元器件，具有較強的移植能力，可以實現文件和程序的共享。

2 系統硬件設計

該系統的設計的過程為，外界的溫度信號經DS18B20溫度傳感器采集后輸出數字信號，數字信號被送入FPGA芯片后對其進行處理，通過譯碼將輸入的二進制轉換為十進制，再通過數碼管進行顯示，輸入的二進制信號被送到比較器中與設定的閾值信號進行比較，再根據比較結果來控制輸入電平的高低，用來實現控制外接元器件。溫度傳感器報警系統的結構圖如圖1所示。

3 系統內部框圖

在FPGA設計過程中采用自上而下的設計方法，在FPGA內部有數據處理模塊、時鐘分頻模塊、數據緩存模塊、數據顯示模塊四個模塊，其中數據處理模塊完成溫度閾值比較、閾值參數設置等功能，數據緩存模塊實現對溫度傳感器輸出的串行數據進行接收，當條件滿足后觸發相應的操作，通過輸入低電平信號對溫度閾值進行修改，時鐘分頻模塊主要完成時鐘信號的分頻工作，將原有的50MHz分頻至1MHz。

外圍電路模塊主要有報警模塊、溫度顯示模塊、時鐘電路模塊、電源模塊，報警模塊、復位電路、其它配置電路、溫度數據寄存器等；其中報警模塊由蜂鳴器和Led報警燈兩部分組成，前者由三極管驅動電路完成，后者由FPGA芯片發出高電平信號控制其亮滅。

4 軟件設計流程

本系統軟件設計的流程為：FPGA首先對溫度集成傳感器DS18B20進行初始化，讀取該傳感器的ID號和溫度轉換后的結果，對CRC校驗碼進行計算以驗證通訊過程的可靠性，當所有的溫度信號都訪問結束后返回到初始狀態。

5 結語

本文主要介紹了基于FPGA數字溫度傳感報警器的開發與設計過程，所設計的報警器可以精確的采集溫度并且能實現自定義溫度閾值，且溫度超過報警范圍后，采用的FPGA芯片可根據輸出數據和內部算法來啟動控制器，以實現對溫度的預置值報警，分別從硬件設計方法、模塊功能介紹、軟件設計程序進行說明，經試驗該系統穩定性和準確性都通過了測試，完成了溫度監控及報警的功能。

參考文獻

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