基于fpga的空调控制系统设计.docx
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基于fpga的空调控制系统设计
基于fpga的空调控制系统设计
郑州大学西亚斯国际学院
本科毕业设计（论文）
题目基于FPGA的空调控制系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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涉密论文按学校规定处理。
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基于FPGA的空调控制系统设计
摘要
本论文主要任务是设计基于FPGA的空调控制系统的设计。
本课题的设计采用了温度传感器DS18B20，Altera公司ACEX1K系列的EP1K30TC144-3控制器。
控制器部分采用VHDL语言编写，主体程序采用了状态机作为主要控制方式。
硬件主要有五大模块：
温度设置模块、定时模块、LED显示模块、分频模块、FPGA控制器模块。
最后实现使用FPGA比较设置温度与测量所得温度，并发出指令给空调电机执行部分，按设置的时长实现升温或降温，当设置温度与测量温度相等时，不执行调节温度功能。
另外要能根据输入数据的变化和温度传感器测量得到的温度同步变化LCD上显示。
利用QuartusII进行仿真。
该课题的研究将有助于采用FPGA的系列产品的开发。
同时可以大大缩短FPGA的开发时间。
另外，由于模块的易用性，也将使得更多的采用FPGA产品应用于温控领域，为行业和我们的生活带来新的变化。
关键词FPGA/温度测控/VHDL/DS18B20
TheDesignOfAirConditionerBasedOnFPGA
Abstract
ThispapermaintaskisbasedonFPGAdesignoftheairconditioningcontrolsystemdesign.ThistopicwasdesignedusingtemperaturesensorDS18B20,AlteracompanyACEX1KseriesofEP1K30TC144-3controller.ControlleroftheVHDLlanguage,themainprogramasastatemachinemaincontrolmode.Hardwaremainlyhavefivemodules:
temperaturesettingofthemodule,regularmodule,LEDdisplaymodule,pointsfrequencymodule,FPGAcontrollermodule.finallyrealizetheFPGAsettemperatureandcomparedusingthetemperaturemeasurement,andsentouttheinstructionstoairconditionermotorexecutivepart,accordingtothesettimeheatingorcoolingrealized,whensettemperatureandmeasuringtemperatureequal,nottoenforcetemperatureadjustmentfunction.InadditiontothechangeofthedataaccordingtotheinputandtemperaturesensormeasuringthetemperaturechangegetsynchronousdisplayedontheLCD.UseQuartusIIwassimulated.
ThistopicresearchwillhelpbasedonFPGAseriesofproductsdevelopment.AtthesametimecangreatlyshortentheFPGAdevelopmenttime.Inaddition,becauseofthemoduleusability,willalsomakemorebasedonFPGAproductsusedinthetemperaturefields,fortheindustryandourlifebringsnewchanges.
KeywordsFPGA,temperaturemeasurementandcontrol,VHDL,DS18B20
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题的背景和意义1
1.2课题的内容及方法1
1.3论文结构安排2
2可编程逻辑器件3
2.1可编程逻辑器件介绍3
2.1.1PLD的发展历程3
2.1.2可编程逻辑器件的结构3
2.1.3可编程逻辑器件的分类4
2.1.4可编程逻辑器件的应用5
2.1.5可编程器件的前景及趋势5
2.2EDA技术5
2.3VHDL语言6
2.3.1VHDL的特点6
2.3.2VHDL的设计步骤6
3系统及电路方案选择7
3.1空调技术概述7
3.2方案论证与确定7
3.2.1方案的选择7
3.2.2方案论证与确定8
4硬件电路设计9
4.1硬件整体结构及原理9
4.2高精度数字传感器DS18B209
4.2.1温度传感器的介绍9
4.2.2温度传感器的选择10
4.2.3DS18B20数字温度传感器介绍10
4.3控制器芯片介绍13
4.3.1ACEX1K器件的特点13
4.3.2ACEX1K功能描述14
4.4LED显示电路14
4.5系统总电路图15
5系统软件设计17
5.1温度设置模块17
5.2定时模块19
5.3控制模块22
5.3.1控制模块下的温度模块23
5.3.2控制模块下的FPGA控制器模块24
5.3.3控制模块整体25
5.4显示模块27
5.5分频模块30
5.6基于FPGA的空调控制系统综合仿真32
总结33
致谢34
参考文献35
附录36
1绪论
1.1课题的背景和意义
当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会，数字集成电路本身在不断地进行更新换代。
它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路（VLSIC，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集电路。
但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务己不完全由半导体厂商来独立承担。
系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。
大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路，电子设计工程师利用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路，从而大大缩短产品的上市时间，降低了开发成本。
此外，可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改，这样就极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性。
由于具备上述两方面的特点，CPLD和FPGA受到了世界范围内广大电子设计工程师们的普遍欢迎，应用日益广泛。
随着微电子技术的飞速进步，电子学进入了一个崭新的时代，其特征是电子技术的应用正以空前规模和速度渗透到各行各业。
PLD的广泛应用，为各行业的电子系统设计工程师自行开发本行业专用的ASIC提供了技术和物质条件。
PLD作为当今电子设计领域应用最广泛的可编程器件之一，其原因是多方面的，PLD高集成度、可现场修改、开发周期短等优点满足了从军用到民用、从高端到低端的大多数电子设计领域的需求。
而可编程逻辑器件从出现至今只有短短二十年的发展历史，有很多电子设计工程师以至可编程逻辑器件产品的用户对这一器件的特性、优势还不是非常了解，部分有经验的设计师依然习惯于用单片机等传统工具从事电路设计，这样就影响了电子产品的市场竞争力，也忽略了产品的升级空间。
因此，十分有必要对PLD这一族器件进行全面细致的分析研究，从而更好地利用PLD的优势为电子设计服务。
[3]
1.2课题的内容及方法
本文主要介绍了可编程逻辑器件在数字系统设计中的应用，本文研究的脉络是以可编程逻辑器件的主要应用特性为主线，分析可编程逻辑器件应用研究的必要性和现实意义;探讨可编程逻辑器件结构特点上以及在数字系统设计中与传统电子器件的区别;比较主要的PLD大公司的产品、设计工具和编程语言，分析各公司产品的优势和不足。
同时本文以基于FPGA的空调温度控制系统设计为实例，比较形象地展现了可编程逻辑器件在数字系统设计中的特点和优势。
同时也使的对可编程逻辑器件的应用研究具体形象。
1.3论文结构安排
本文一共分为章，各章的内容如下：
第一章介绍了课题研究的背景和意义，以及本课题的主要内容和研究方法。
第二章对可编程逻辑器件的发展历程、结构、分类、应用前景、发展新趋势等做了比较细致的介绍和分析。
第三章对可编程逻辑器件具体的应用实例“基于FPGA的空调温度控制系统”做一个方案论证，通过与一个用单片机为核心芯片来进行设计的方案进行比较，使得用可编程逻辑器件来进行系统设计具有的优越性。
第四章对空调温度控制系统进行硬件电路的设计。
第五章进行系统软件设计，将整个系统分为若干个分模块以及各模块的VHDL描述和仿真波形。
最后对本次设计进行总结，并指出其中有待于完善之处。
2可编程逻辑器件
可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）是一类半定制的通用性器件，与专用集成电路ASIC相比，PLD具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势，因而得到了广泛应用。
说到PLD的应用就不得不说到EDA技术和VHDL语言，因为PLD的应用是离不开EDA技术和VHDL语言的支持。
下面分别对这三个部分进行介绍。
2.1可编程逻辑器件介绍
2.1.1PLD的发展历程
从可编程逻辑器件的发展历史上看，其主要经历了从PROM、PLA、PAL、EPLD到CPLD和FPGA的发展过程。
它在结构、制造工艺、集成度、逻辑功能、速度和功耗上都有了很大的提高和改进。
通常，可编程逻辑器件的发展历史如下：
20世纪在80年代末，出现了FPGA；CAE和CAD技术的应用更为广泛，它们在PCB设计方面的原理图输入，自动布局布线及PCB分析，以及逻辑设计等方面担任着重要的角色。
20世纪90年代后，在生产工艺方面，可编程逻辑器件的线宽越来越小，集成门数越来越大，功耗越来越低；在测试技术方面，可编程逻辑器件大多数均可采用边界扫描测试技术；在逻辑功能上，上实现DSP（数字信号处理）应用成为可能。
仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出。
2.1.2可编程逻辑器件的结构
PLD基本结构
：
PLD的基本结构由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等4部分组成。
新型的PLD则将输出电路做成宏单元，使用户可以根据需要选择各种灵活的输出方式。
目前使用最广泛的可编程逻辑器件是CPLD和FPGA。
CPLD：
早期的CPLD主要用来代替PAL器件，所以其结构与PAL、GAL基本相同，采用了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。
目前主要的半导体公司，如Xilinx和AMD公司等。
大多数的EPLD、CPLD器件中至少包括3中结构：
可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线。
FPGA：
在FPGA中，常用的编程工艺有反熔丝和SRAM两类。
反熔丝工艺占用面积小，有利于提高芯片集成度但需要专门的编程器，且只能进行一次性编程。
Altera公司的与非门结构基于一个由与门、或和异或门组成的逻辑快。
这个基本电路可以用一个触发器和一个多路开关来扩充。
[1]
2.1.3可编程逻辑器件的分类
随着微电子技术的发展，可编程逻辑器件品种越来越多，型号越来越复杂。
目前PLD尚无严格的划分标准，下面仅从集成度、可编程原理及结构特点三方面对PLD进行简单的分类。
按集成度分类：
PLD从集成密度可分为低密度可编程逻辑器件（LDPLD）和高密度可编程逻辑器件（HDPLD）两类。
通常，当PLD中的等效门数超过500门时，则认为它是高密度。
其具体的划分如下图：
图2-1PLD结构图
按可编程原理分类：
从可编程特性上可以将PLD分成一次性编程和重复可编程两类。
一次性可编程的典型产品是PROM、PAL和熔丝型FPGA，其他的可编程产品大多是重复可编程的。
一次性可编程器件的优点是集成度高、工作频率而后可靠性高、抗干扰能力强。
而重复可编程器件的优点是可多次修改设计，特别适用与系统样机的研制。
按结构特点分类：
目前常用的可编程逻辑器件都是从与阵列、或阵列和门阵列发展起来的，所以可以从结构上将其分为两大类。
1.阵列型PLD
阵列型PLD的基本结构由与阵列和或阵列组成。
简单PLD（PROM、PLA、PAL和GAL、EPLD、和CPLD）都属于阵列型PLD。
2.现场可编程门阵列FPGA
FPGA具有门阵列的结构形式，它是由许多可编程逻辑单元（或逻辑功能块）排成阵列组成的，所以也将FPGA称为单元型PLD。
2.1.4可编程逻辑器件的应用
可编程逻辑器件在电子领域的应用主要有两方面：
1.PLD在ASIC设计中的应用
把一个有专用目的，并具有一定规模的电路或子系统集成化而且设计在一芯片上，这就是专用集成电路ASIC的设计任务，通常ASIC的设计要么采用全定制电路设计方法，要么采用半定制电路设计方法进行检验，若不满足要求，还要重新设计再进行验证。
目前，HDPLD有两种用途：
一是用于最终产品；一是用于ASIC化的前道工序的开发试制品。
2.基于EDA的CPLD/FPGA应用
电子产品的高度集成数字化是必由之路，我国的电子设计技术现在又面临一次新突破即CPLD/FPGA在EDA基础上的广泛应用。
CPLD/FPGA以其不可替代的地位以及伴随而来的具有经济特征的IP芯核产业的崛起，正越来越受到业内人士的观注。
2.1.5可编程器件的前景及趋势
CPLD/FPGA的设计开发采用功能强大的EDA工具，设计成功的逻辑功能软件有很好的兼容性和可移植性，开发周期短。
目前PLD/CPLD约占全球市场规模的6成，IP内核得到进一步发展。
具体体现在：
1.PLD正在由点5V电压向低电压3.3V甚至2.5v器件演进，降低功耗。
2.ASCI和PLD出现相互融合。
3.ASIC和FPGA之间的界限正变得模糊。
4.集成度不断提高,价格不断降低，向系统级发展。
2.2EDA技术
EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。
EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
2.3VHDL语言
VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，诞生于1982年。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。
VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。
[2]
2.3.1VHDL的特点
应用VHDL进行系统设计，有以下几方面的特点：
（1）功能强大，设计方式多样
（2）具有强大的硬件描述能力
（3）具有很强的移植能力
（4）设计描述与器件无关
（5）程序易于共享和复用
由于VHDL语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言，因此它减小硬件电路设计的工作量，缩短开发周期。
[10]
2.3.2VHDL的设计步骤
采用VHDL的系统设计，一般有以下6个步骤：
（1）按要求的功能模块划分；
（2）VHDL的设计描述（设计输入）；
（3）代码仿真模拟（前仿真）；
（4）设计综合、优化和布局布线；
（5）布局布线后的仿真模拟（后仿真）；
（6）设计的实现（下载到目标器件）。
3系统及电路方案选择
3.1空调技术概述
世界空调的发展可分为四个阶段。
首先是后风扇时代，典型特征是功能仅限制于制冷制热，技术含量低；接下来是纯空调时代。
这个时代的最显著标志是空调成为真正意义的空气调节器。
不光调节空气的温度，对空气的舒适度也进行调节；随着各国政府对空调的能耗标准提出要求。
空调进入了超空调时代，其显著特点是空调不仅仅是空调。
还能满足节能环保的要求；在以网络信息代表的2l世纪，作为家电产品的空调器也必将随之步入网络信息时代。
为了最大限度地节约能耗，开辟新能源的利用，同时空调越来越趋于智能化。
总之空调技术的研究发展很快，并且开发出了种类繁多的空调产品[3]。
3.2方案论证与确定
3.2.1方案的选择
目前大多数的的空调温度控制系统都采用了以单片机作为控制器的设计，但是随着可编程逻辑器件的发展，家用电器的控制部分也越来越多地使用可编程逻辑器件来实现，所以下面提供了以单片机和可编程逻辑器件（FPGA）为核心控制器件的2个方案进行选择。
方案1：
该方案采用的是AT89C51单片机为核心控制器件，用它来处理各个单元电路的工作以及检测其运行情况。
首先通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集的温度信号作A/D转换，使其模拟信号转变成数字信号，然后输给单片机，再由单片机控制显示，并比较采集的温度与设置的温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况，本设计中采用的是AD590温度传感器，通过温度系统采集电路采集相关温度数值，再由AD0809组成的A/D转换电路进行转换，最终的到数字信号，将其直接输给单片机，然后由单片机机根据内部程序判断，执行相关控制程序，驱动个单元电路的工作[11]。
其方框图3-1如下:
图3-1基于单片机的空调控制系统框图
方案2：
该方案以FPGA为核心控制器件，采用数字温度传感器DS18B20进行温度采集，将采集到的温度数字直接以数字信号传输给FPGA控制器，控制器通过比较采集的温度和用户设置的温度来做出发送降温还是加热的控制信号给空调机。
同时通过FPGA芯片还可以实现定时和控制显示，使用6个数码管将传感器测量到的温度，设置的温度、定时时长都显示出来。
其方框图3-2如下：
图3-2基于FPGA的空调控制系统框图
3.2.2方案论证与确定
通过比较两个方案，方案1采用单片机为核心控制器件，该方案的优点是容易控制，系统原理比较简单，电路可靠，容易实现控制目的。
但是该方案中的温度测量电路，译码电路复杂，容易产生误差和由电路复杂而导致的设备使用寿命低等一系列问题。
方案2采用的是以FPGA为核心控制器件，同时温度传感器采用的是高精度的数字温度传感器DS18B20，通过该传感器采集的温度信息不需要经过信号放大和A/D转换直接以数字信号的形式传递给控制芯片，使得电路的连接大大的简化了，减小了电路复杂所带来的误差等问题。
而且FPGA芯片所具有的可编程修改的特点以及其强大的逻辑功能都是单片机难以达到的，这样不但给设计过程中带来一系列的便利，而且在空调的功能日趋人性化和智能话的发展趋势下，以FPGA为控制器件的设计无疑更加具有市场竞争力。
所以同过上面的对两个方案的比较论证，本次设计采用方案2来实现[4]。
4硬件电路设计
4.1硬件整体结构及原理
硬件电路主要包括电源、石英晶振、温度传感器、FPGA控制器、数码管显示组成。
本设计使用的FPGA芯片是Altera公司的ACEX1K系列的EP1K30TC144-3，温度传感器采用高精度数字温度传感器DS18B20。
整个硬件的框图如图4-1所示：
图4-1整个硬件框图
整个电路的工作原理是由20MHz石英晶振FPGA提供时钟信号。
电源电压为3.3V和2.5V。
数字式温度传感器DS18B20将采集的温度以数字信号的形式直接传递给FPGA芯片，用户可通过按钮根据需要设置温度值和定时时长。
测量温度和设置温度都送给FPGA控制器，控制器对两个温度值比较并做出判断，当测量温度大于设置温度时，控制器发出制冷的控制信号；当测量温度小于设置温度时，则发出加热控制信号；当两者相等时既不制冷也不加热。
通过空调执行机构来达到改变环境温度的目的。
同时，将定时的时长和设置温度的值通过6个数码管显示出来[9]。
4.2高精度数字传感器DS18B20
4.2.1温度传感器的介绍
温度传感器是一种以一定的精确度把被测量温度转换为与之有对应关系的便于应用的某些物理量的测量装置。
如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，或者是数据的显示与控制都是不可能实现的。
下面介绍传感器的特性。
衡量传感器静态特性的重要特性的重要指标是：
（1）线性范围：
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