基于FPGA的遠程控制設計系統

陳玲君

摘要：系統主要研究了一種基于FPGA的遠程控制設計系統，以FPGA為基礎，結合各種傳感器，如溫度傳感器、圖像傳感器等，通過FPGA把數據采集過來，然后通過總線將數據傳至上位機上。該系統具有性價比高、穩定性好、體積小等優點，并可以拓展其他傳感器滿足不同的需要。

關鍵詞：FPGA；傳感器；遠程控制

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0203-02

遠程控制是自動測控系統的主要功能之一，廣泛應用于生產生活的各個領域，比如智能家居，又能用在環境惡劣的場所，比如礦井、強核磁輻射等。目前市場上嵌入式遠程控制系統大多采用ARM作為控制芯片。也有采用單片機的，主要是價格低廉等因素。

基于FPGA的嵌入式系統設計融合了單片機和數據處理兩者的優點。單片機的特點決定了其擅長于控制，而數據處理（DSP）的內部結構決定了其較強的數據處理能力。但是FPGA正處在發展完善階段，還沒有大規模應用到生產生活中，目前經過近幾年的發展，已經在數字通信、信號處理等領域有了出色表現。

1 系統硬件設計

本系統的總體方案如圖1所示。主要是由主控FPGA、外圍傳感器、顯示模塊和存儲模塊組成。通過數字圖像傳感器和溫度傳感器獲得現場關鍵設備的圖像信號和溫度，然后分別通過USB接口和SPI接口實時或定時地傳送到FPGA中，經過FPGA處理后通過串行RS-485總線送到監控終端的PC機上實現監控，最后通過LCD顯示出來，同時存儲數據。

1.1 FPGA核心控制模塊

核心控制模塊采用的是Altera公司推出的Cyclone系列芯片EP1C6F256C6，芯片有26060個邏輯單元、64個存儲容量為4 KB的RAM塊、2個鎖相環，最大用戶輸入輸出引腳數為301個。芯片具有很高的性價比，具有低功耗、高密度和低成本的優勢。它是本系統的核心部分，可以完成系統大部分功能并協調整個系統的工作。

1.2 信息采集模塊

本系統采集主要是溫度和圖像兩個關鍵參數。其中溫度傳感器模塊是由數字集成傳感器DS18B20和熱電偶兩部分組成，以滿足負責的溫度采集和監控系統的設計需求。其中DS18B20是一款常用的數字式溫度傳感器，容易與FPGA控制器接口相連，能夠及時迅速地測得環境溫度，并且具有很強的電磁抗擾性，能夠適應較為復雜和惡劣的工作環境，且具有高可靠性的優點。

圖像采集模塊由SL811HS USB主機控制器和WEBEYE2000 USB接口攝像頭組成。USB控制器SL811HS是Cypress公司的嵌入式USB接口芯片，支持USB1.1的全速和低速設備。提供USB主機的硬件接口及總線管理機制，片內集成SIE、USB收發器和根Hub，能夠完成嵌入式USB主機所需的功能。其中SL811HS工作電壓為3 V-3.6V。

1.3 電源電路

本設計中的主控器件的輸入輸出接口電壓為3.3V，內核電壓降到1.5V，因此要把5V轉成1.5V，在電路中涉及到其他模塊與控制器相連接的接口電壓必須為3.3V，因此5V得轉成3.3V。其中5V轉為1.5V的電路如圖2所示。

1.4 通信模塊

通信模塊分為兩部分，其中溫度傳感器通過SPI接口進行傳輸，圖像傳感器部分通過USB接口進行傳輸的，而主控數據是通過RS-485接口，把處理好的數據傳至上位機。

1.5 顯示模塊

系統的顯示部分采用液晶顯示，具體型號用常見的LM016；部分采用PC端，直接通過RS-485將數據傳至電腦端。

2 軟件設計

本系統的軟件設計采用C語言編寫。

系統啟動后，進行初始化工作，初始化程序主要完成初始化DMA通道及清FIFO控制接口的FIFO緩沖器等。隨后系統進入主循環狀態，并檢測按鍵。當檢測到DETECT時，啟動FIFO控制接口開始保存數據，當檢測到data avaible有效時，啟動一次DMA傳輸。如此循環，直到檢測到SAVE DONE為止，就實現了圖像、溫度數據的采集功能。

2.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用SPI接口進行傳輸。溫度采集模塊的流程圖如圖3所示。

2.2 圖像采集流程圖

圖像模塊采用USB接口進行傳輸。圖像采集模塊的流程圖如圖4所示。

3 結語

基于FPGA的遠程控制設計系統，具有很強的應用前景，在普通家庭、臨時性作業場所等方面應用領域中。雖然在某些方面不如ARM系統，但是它具有性價比高、穩定性好、體積小等優點，并可以拓展其他傳感器滿足不同的需要，具有市場潛力和開發價值。

參考文獻

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