基于FPGA的具有数字显示的水温测控系统

文章摘要：VADC=C[(nkT／q>ln(I／i)]=2.5×10-3×T式中：n为晶体管的理想系数。设计中，2N3904的n=1.008，近似取1。C为模块中ADC的放大倍数，C=12.5；I，i为模块中用到的两个电流源，I=100μA，i=10 μA；k为波尔兹曼常量，k=1.3806×10-23J／K；q为质子的电量，q=1.602×10-19C，正因为采用的q，所以ADC测得温度值单位为开尔文(Kelvin)；T为系统要测量的温度，此处为传感器所测量温度。2.2 键盘控制和控制电路因为系统在运行时可以与PC通信，故可直接使用PC机设定上、下限温度值，不需要额外设计键盘电路。但是由于条件有

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　　VADC=C[(nkT／q>ln(I／i)]=2.5×10-3×T

　　式中：n为晶体管的理想系数。设计中，2N3904的n=1.008，近似取1。C为模块中ADC的放大倍数，C=12.5；I，i为模块中用到的两个电流源，I=100μA，i=10 μA；k为波尔兹曼常量，k=1.3806×10-23J／K；q为质子的电量，q=1.602×10-19C，正因为采用的q，所以ADC测得温度值单位为开尔文(Kelvin)；T为系统要测量的温度，此处为传感器所测量温度。

　　2.2 键盘控制和控制电路

　　因为系统在运行时可以与PC通信，故可直接使用PC机设定上、下限温度值，不需要额外设计键盘电路。但是由于条件有限，对于加热和冷却系统可采用简单的模拟方式实现，通过系统给定信号驱动继电器电路，完成加热和冷却效果，并且在超出范围后进行报警。

　　2.3  数字显示

　　该系统采用较先进的液晶显示屏对结果进行显示，形象直观。这里采用的是有机电致发光器件(OrganicLight Emitting Device，OLED)SSD1303T6。OLED相对于液晶显示器LCD来说，其主要优势在于驱动电压低，功耗小，主动发光，平板超薄，响应速度快，工艺相对简单等。SSD1303是晶门公司采用TAB封装的单色OLED模组。这种基于CMOS工艺的驱动IC集成了行、列驱动器、控制器和SRAM，可支持的最大分辨率为132×64，可以显示4色区域色，并可编程实现256灰度，可实现水平滚动显示。SSD1303提供有6800，8080，SPI等用于与微处理器(MCU)进行通信的显示接口模式。该设计中采用SPI接口进行通信。由于OLED控制芯片中未包含字库，这里自行设计了字库，采用8×8点阵显示，字库设计范例如图3所示，其为字符“C”的字库模型。

　　该设计中所需字符比较简单，按照需要自行设计了字符“0～9”，“．”，“：”，“T”。由于字库较小，采用数组方式存放数据。如下程序所示。

　　3 系统设计

　　这里设计的温度测控系统采用Actel公司的SoPC解决方案，它基于嵌入式软核CortexM1核，在性能上CortexM1可满足当前大部分嵌入式产品的设计。该系统的主电路采用Actel公司提供的Fusion系列FPGA，实现温度控制，由于加热和制冷部分条件的限制，只采用模拟方式。电路可实现温度显示，设置上、下限温度，超出范围报警以及与PC机通信的功能。系统测量精度和控制精度均良好。

　　3.1  硬件设计原理

　　系统的硬件平台大致可分为以下几个功能模块：模拟输入模块、微处理器及其外围模块、UART模块、时钟产生模块、PWM模块。这些功能模块都由Actel公司提供的知识产权核(IP核)组成。在Coreconsole中，将各个模块配置，通过模块的总线接口与系统总线AHB，APB互联，最终的结果如图4所示。其中，右上角的信号连接为连接到顶层模块的信号。

　　如图4所示，其中CortexMl为微处理器核，负责处理采集到数据，并产生相应的控制信号给外围控制电路；CoreAHBNvm为控制FLASH的软核，使系统上电即可运行，掉电不丢失；CoreAI为模拟输入模块，负责将外围采集的模拟信号数据转换为数字信号，交由处理器处理；CoreUARTapb为串口通行核，负责将处理的数据通过串口发送给PC，使其能实时交互和控制；CoreGPIO和CoreGPIO_01两个核为通用I／O核，分别负责OLED的数据通信和外围控制信号的输出。

　　系统的外围温度超过上限报警和加热模拟的电路如图5所示。

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