1、引言

FPGA是新型的可編程邏輯器件，能夠?qū)⒋罅康倪壿嫻δ芗捎趩蝹€器件中，它所提供的門數(shù)從幾百門到上百萬門，符合系統(tǒng)芯片（SOC—System On Chip）的發(fā)展要求，具有高度集成、低功耗、硬件升級等優(yōu)點，可以滿足不同的需要。

隨著電于技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，使得可編程邏輯器件在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)和微電子技術(shù)應(yīng)用中起著越來越重要的作用，本文主要研究利用FPGA器件和MAXPLUSⅡ工具軟件設(shè)計溫控定時噴灌系統(tǒng)。文中還涉及到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804、溫度傳感器AD590的應(yīng)用。

2、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

溫控定時噴灌系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖一所示，由數(shù)字溫度表和FPGA兩部分組成。數(shù)字溫度表測量范圍為0一100℃.AD590溫度傳感器的感測能力是，溫度每升高1K就增加1μA的電流量，該電流流入1OKΩ的電阻后，將會產(chǎn)生1μA×1OKΩ=10mV的電壓。而00C（等于273 K）時，輸出電流273μA，流入1OKΩ的電阻后，產(chǎn)生273μA×10 KΩ = 2.73 V的電壓。如果測到電壓為XXV，則可由公式（XXV -2.73V）÷ 10 mV得到要測的溫度。溫度傳感器AD590串接1OKΩ

的電阻，然后經(jīng)一個運算放大器后，將電壓引入ADC0804的Vin（+）管腳。ADC0804是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，測量精度為0.02 V，當(dāng)ADC 0804的轉(zhuǎn)換值為XXH時，所測溫度為T=（XXH×0.02 V-2.73V） ÷lOmV=XXH ×2-273。

3、FPGA功能模塊的設(shè)計

FPGA器件設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法，將任務(wù)分解為三大功能模塊，最后將各功能模塊連接形成頂層模塊，完成整體設(shè)計。三大功能模塊可用VHDL語言編程實現(xiàn)，也可通過圖形輸入法設(shè)計，F(xiàn)PGA是系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)選用了Altera公司的EP1K30TC144-3芯片，在MAXPLUSⅡ開發(fā)平臺上，實現(xiàn)三大功能模塊： 數(shù)據(jù)處理模塊TDATA、時鐘模塊clock、噴灌控制模塊CONTROL。完成三個子模塊的設(shè)計后，用圖形輸入法形成的頂層設(shè)計如圖二所示。

3.1 時鐘模塊

用圖形輸入法形成的時鐘模塊clock如圖三，其中包括兩個模60計數(shù)器cntm60，一個模12計數(shù)器cntm12，它們輸出的信號分別對應(yīng)時、分、秒的各位。時鐘模塊亦可由VHDL語言編寫，該程序比較常見，這里省略。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊TDATA完成溫度數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)T=（XXH×0.02 V-2.73V） ÷lOmV=XXH ×2-273的運算，將接收到的轉(zhuǎn)換值調(diào)整成對應(yīng)的數(shù)字信號，在讀 取 到 ADC0804的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，先將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)左移1位（相當(dāng)于數(shù)值乘2），然后減去“100010001” （273的二進(jìn)制表示）。當(dāng)溫度大于某一數(shù)值時（如25℃），數(shù)據(jù)處理模塊TDATA輸出的使能信號和清零信號為1，它們作為時鐘模塊的輸入端，控制時鐘是否開始計時。主要程序如下：（為了結(jié)構(gòu)清晰，對部分內(nèi)容進(jìn)行了刪減）

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity tdata is

port （data:in std_logic_vector （7 downto 0）;

t ：out std_logic_vector （8 downto 0）;

en:out std_logic;

clear:out std_logic）;

end tdata ;

architecture aa of tdata is

signal datain ： std_logic_vector （8 downto 0）;

signal tin ： std_logic_vector （8 downto 0）;

begin

process（data）

begin

datain《=data&‘0’;

tin《=datain-“100010001”;

if（tin 》= “000011001”） then

en《=‘1’;

clear《=‘1’;

else en《=‘0’;

clear《=‘0’;

end if;

end process;

t《=tin;

……

3.3 噴灌控制模塊

該模塊的輸入信號來自數(shù)據(jù)處理模塊和時鐘模塊的輸出，當(dāng)溫度大于等于某一數(shù)值時（如25℃），噴灌控制模塊的輸出信號控制噴灌開關(guān)自動打開一定時間（如2小時）。主要程序如下：（為了結(jié)構(gòu)清晰，對部分內(nèi)容進(jìn)行了刪減）

……

begin

process（hour，t）

begin

if（t 》= “000011001” and hour 》= “0000” and hour 《=“0010”） then

control《=‘1’;

else control《=‘0’;

end if;

end process;

……

4、 仿真

本文設(shè)計的VHDL語言程序已在MAXPLUSⅡ工具軟件上進(jìn)行了編譯、仿真和調(diào)試，通過編程器下載到了EP1K30TC144-3芯片中實際測試并獲得了滿足設(shè)計要求的結(jié)果。

數(shù)據(jù)處理模塊的功能仿真結(jié)果如圖四所示。當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為95H，計算所測溫度為95H× 2-273=25℃，仿真結(jié)果正確。

噴灌控制模塊的功能仿真結(jié)果如圖五所示?？梢钥吹?，當(dāng)溫度大于等于25℃時，噴灌控制模塊的輸出信號控制噴灌開關(guān)自動打開2小時。

5、 結(jié)論

通過以上對溫控定時噴灌系統(tǒng)的設(shè)計，看到應(yīng)用FPGA器件和EDA技術(shù)，不僅縮短了系統(tǒng)的設(shè)計周期，還減少了系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。具有設(shè)計周期短、設(shè)計費用和風(fēng)險低、功能靈活的特點。本文給出的設(shè)計思想也適用于其它基于PLD器件的系統(tǒng)設(shè)計。

本文設(shè)計了基于VHDL 語言的溫控定時噴灌系統(tǒng)的幾個模塊：數(shù)據(jù)處理模塊TDATA、時鐘模塊clock、噴灌控制模塊CONTROL。每個模塊都通過了功能仿真和時序仿真，生成了可綜合的網(wǎng)表文件，并下載到EP1K30TC144-3芯片中。仿真和測試的結(jié)果表明每個模塊均完成了其邏輯功能。

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