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摘 要

：本系统利用DS18B20对温度信号进行采集，使用ALTERA公司的EP4CE10E22C8N的芯片接收DS18B20输出的数字温度信号，通过FPGA内部嵌入的NIOS软核进行控制，当被测物的温度超过门限时，发出报警，蜂鸣器响和LED灯亮，且只有当人为按下接触报警按键后，报警才会消除，并将温度通过LCD1602实时显示。该系统采用NIOS软核进行设计，具有灵活度高、速度快等优点。

关键词：温度信号，FPGA，NIOS，LCD1602

Abstract：This system using DS18B20, the temperature signal acquisition unit, to collecting the temperature signal, and the chip of EP4CE10E22C8N of the ALTERA Corporation receives the digital temperature signal outputed by the chip of DS18B20. The NIOS soft core embedded within the FPGA to control the signal, and the temperature will be real-timely displayed through LCD1602. When the temperature of the measured object rises over the threshold, the buzzer will rang and the LED light will be lit up to sending out the alarm, and the alarm won"t be eliminated, until someone presses the alarm button. The system designed by the NIOS soft core, has the advantages of high flexibility and high speed.

Keywords: temperature signal, FPGA, NIOS, LCD1602

目 录

1 绪论 4

1.1 温度控制系统简介 4

1.2 温度控制系统的研究意义和应用 4

1.3 系统中主要研究内容和目的 5

2 系统工作原理及主要元器件介绍 5

2.1 FPGA介绍 6

2.2 DS18B20介绍 8

2.3 字符型LCD 8

3 系统硬件电路设计 10

3.1 FPGA核心板 10

3.2 DS18B20原理图部分 12

3.3 LCD1602原理图部分 13

3.4 按键部分 13

3.5 蜂鸣器和LED报警部分 13

4 系统软件设计与仿真 14

4.1 设计思路 14

4.2 顶层模块介绍及硬件实现 15

结 论 24

参 考 文 献 25

致谢 26

附录 27

1 绪论

1.1 温度控制系统简介

温度的动态控制系统与静态控制系统是温度控制系统的两类，人们根据自己的实际需要选择其中一类。由于生产中需要的并不都只是一个恒定的温度，所以为了满足现实需要，设计者按照生产的特性给生产系统提供实时的温度，这样的温度控制系统，我们称之为温度的动态控制系统。在人们的生产生活中，还有一类我们比较常见的温度控制系统，我们称之为温度的静态控制系统，顾名思义，这样的温度控制系统是为生产中需要一个恒定的温度值而设计的。除去温度控制系统的总体分类，温度控制系统的控制方法也有几种，由于本人设计的这个温度控制系统并没有使用复杂的控制方法，且限于设计者的知识水平有限，在此不作介绍。本人设计的这个温度控制系统比较简单，是一个静态的温度控制系统，利用的是类似开关的控制方法，完成的任务也比较简单，其控制过程与一个开关相似，当被测物的温度超过我预先设定的门限温度时，系统就发出警报通知工作人员解除警报。

1.2 温度控制系统的研究意义和应用

在人们的生产生活中，温度控制有时会起到关键的作用，因此温度控制系统的设计具有重要的现实意义和作用。无论是模拟温度信号采集或者数字信号采集，都是为了让计算机能够得到被采集的温度信号所表现出来的数字特性，再由计算机或者嵌入式系统来进行分析控制。在得到采集的温度信息后，有多种方式可以和计算机或者嵌入式系统通信，和计算机通信如果需要高速处理采集到的数据，可以使用PCI等高速接口，但如果并不是强调速度的话通常可以使用串口或者USB接口，而且串口和USB接口的使用也很方便，基本上计算机都会有这样的接口。

1.3 系统中主要研究内容和目的

该系统是要实现基于FPGA的温度采集系统，并且通过字符型LCD显示出当前采集到的温度，通过设置报警温度门限将采集到的超过门限的温度进行报警，同时通过报警消除来退出报警状态。当今关于数据采集系统的产品多种多样，有一部分是基于PCI卡槽的，这种基于PCI卡槽的数据采集器具有高速传输数据的特点，但是却使用不灵活，因为使用前都要插在电脑的PCI卡槽上，这样的话，对于笔记本来说，如果没有可以扩展的PCI插卡槽，就很难去实现相应的数据采集上报。另外一大类应用是基于USB的采集，由于现在大部分电脑还有以USB2.0甚至USB1.0为主。该系统是以采集温度为主，使用的主CPU是ALTERA的EP3C10E144C8的FPGA，在FPGA内部实现了逻辑设计和嵌入式CPU NIOS的设计方法，逻辑部分主要负责对DS18B20温度传感器芯片的控制以及和NIOS的通信协议，而NIOS通过和FPGA的内部总线通信获取到当前温度值，并且将该值和设置的温度门限比较，如果该值超过的门限设置值，将产生报警信号，点亮LED等并且触发蜂鸣器报警。这种方式比当前大部分使用单片机或者其他单核CPU有更大的优势，因为FPGA本身是一个编程灵活、内部资源集成度高，并且还具有嵌入式软核的资源，这样就可以在单芯片上实现逻辑以及CPU功能。

该系统就是使用这样的方式实现对温度采集、报警、显示、消除报警的功能。

2 系统工作原理及主要元器件介绍

该系统主要实现温度采集，显示，并且当采集到的温度超过设置的温度上限时产生报警信号主要是声和电报警2种信号，同时通过报警消除来退出报警状态。该系统由ALTERA EP4CE10E22C8N 的FPGA芯片作为主控制芯片，在该芯片内部嵌入NIOS软核，该NIOS软核主要实现CPU的功能，并且和FPGA内部进行逻辑通信，温度采集设备选择比较常用稳定的DS18B20，显示设备使用的是字符型LCD1602，报警信号有LED及蜂鸣器，现在主要对FPGA,DS18B20及LCD1602进行介绍。

2.1 FPGA介绍

FPGA^[1]是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：

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