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1、毕业设计（论文）任务书题 目 基于CPLD的多功能温度检测系统设计一、毕业设计（论文）任务课题内容现代电子产品正在以前所未有的革新速度，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向迅速发展，EDA技术正是为了适应现代电子产品设计的要求，吸收多学科最新成果而形成的一门新技术。采用EDA技术进行电子设计，可使整个系统大部分集成在一个芯片上，从而达到体积小、功耗低、系统稳定、可靠的特点。本课题要求以可编程逻辑器件CPLD为基础，运用VHDL语言和EDA设计软件(MAX+Plus)设计制作智能数字温度检测系统的专用集成芯片，结合A/D转换芯片、LED数码管构成一个数字检测系统，实现对温度的检测和时间的
2、显示。课题任务要求1. 熟悉电子设计相关应用软件的使用2. 学习传感器的应用和选型3. 掌握利用EDA技术进行电子系统设计4. 以可编程逻辑器件CPLD为基础,运用VHDL语言完成多功能数字温度表的设计,使其实现对温度的检测和时间的显示5. 结合EDA设计软件(MAX PLUS)完成系统的仿真与调试 课题完成后应提交的资料（或图表、设计图纸）1毕业设计论文，含：1） 中英文摘要，外文翻译文献2） 设计原理介绍3） 系统硬件部分设计4） 系统软件部分设计2毕业设计任务书，毕业设计开题报告，毕业设计日志 主要参考文献与外文翻译文件（由指导教师选定） 1包明，赵明富，陈渝光EDA技术与数字系统设计M
3、北京：北京航空航天大学出版社，20022王道宪，贺名臣，刘伟VHDL电路设计技术M北京：国防工业出版社，20043林敏,方颖立.VHDL数字系统设计与高层次综合M西安：电子工业出版社，20024徐志军，徐光辉CPLD/FPGA的开发与应用M西安：电子工业出版社，20025王金明.杨吉斌.数字系统设计与Verilog HDLM. 北京：国防工业出版社.2000.66刘亮.先进传感器及其应用M.北京：化学工业出版社，2005.7廖裕评，陆瑞强CPLD数字电路设计M北京：清华大学出版社，20018李季.信号发生器发展浅析J.电子产品世界，2002，10，:6575 9Digital Sytstem
4、Design with VHDLM .Mark Zwolinski.publishing House of Electronics industry200610Reliability Processing Of The Circuits In CPLD DesignJ. Shaohui Cui, Zhensheng Feng Ordnance Engineering College2006,1011王毅平.张振荣.VHDL编程与仿真M. 西安：电子工业出版社2000.712FPGA Power Reduction Using Configurable Dual-Vdd. Fei Li,Yan
5、Lin and Lei He. 2004 ACM 1581138288/04/0006.June 2004,p735-74013高鹏，安涛，寇怀成PROTEL99入门与提高M北京：人民邮电出版社，200014 A Temperature Controlled CMOS Camera. S G P Harvey and J L BhrDepartment of Physics, University of Otago, PO Box 56 , Dunedin, New Zealand. P135-142（翻译文章）同组设计者注：1. 此任务书由指导教师填写。如不够填写，可另加页。2. 此任务书最
6、迟必须在毕业设计（论文）开始前一周下达给学生。3. 此任务书可从教务处网页表格下载区下载毕业设计(论文)开题报告题目： 基于CPLD的多功能温度检测系统设计一、本课题设计（研究）的目的：随着我国工业生产的发展和自动化程度的不断提高，迫切需要对各种生产过程的物理量进行精确检测。温度，作为大多数生产过程中的重要物理量，对它们的精确测量越来越受到人们的重视。本课题以可编程逻辑器件CPLD为基础，运用VHDL语言和EDA设计软件(MAX+Plus)设计制作智能数字温度检测系统的专用集成芯片，结合A/D转换芯片、LED数码管构成一个数字检测系统，实现对温度的检测并且同时显示时间，另外还带有一个蜂鸣器作为
7、闹铃。该温度检测系统既有高精度，高稳定性、抗干扰性强, 应用范围广等优点，又提高了测量的自动化水平，同时具有较高的性价比。因此，本设计的温度测量仪表具有较高的应用价值和广泛的应用前景。二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）：随着VLSI的发展，硬件设计和软件设计的结合，片上器件的尺寸的缩减，金属层数目则继续增加的条件下，都有利于CPLD/FPGA在市场上的普及，并推动应用系统的设计走向SOC设计。VHDL作为IEEE标准的硬件描述语言和EDA的重要组成部分，在电子设计的存档、程序模块的移植、ASIC设计源程序的交付，IP核的应用等方面担任着不可或缺的角色。再加上因特网发展的趋势也有利于其发
8、展，所有这些门电路能用许多线快速轻松地连接起来，有助于加速芯片实现过程并增强性能1。随着半导体技术的迅速发展，在现代数字系统设计中，现场可编程器件（FPGA和CPLD）的使用越来越广泛。与此同时，基于大规模可编程逻辑器件的EDA（电子设计自动化）硬件解决方案也被广泛采用。一般地说，EDA解决方案均采用计算机自顶向下的设计方式：在底层设计时对逻辑进行必要的描述，并依赖特定的软件执行逻辑优化（logic optimization）与器件映射（device mapping），最后再使用由各芯片生产厂商提供的编译器执行布线（route）和网单优化（netlist optimization）。虽然对于简
9、单的逻辑，采用原始逻辑图或布尔方程输入可以获得非常有效的结果，但对于复杂的系统设计，应用以上两种方案就很容易产生错误，而必须依靠一种高层的逻辑输入方式，这样就产生了硬件描述语言HDL（hardware description language），其中符合IEEE-1076标准的VHDL的应用成为新一代EDA解决方案中的首选。因此，VHDL的应用必将成为当前以及未来EDA解决方案的核心，更是整个电子逻辑系统设计的核心3。VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）诞生于1982年。1987年底，VHD
10、L被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。这种语的成就有两个方面：描述复杂的数字电路系统和成为国际的硬件描述语言标准。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口，是一种快速的电路设计工具，功能涵盖了电路描述，电路合成，电路仿真等三大电路设计工作。它用于设计复杂的、多层次的设计。支持设计库和设计的重复使用，与硬件独立，一个设计可用于不同的硬件结构，而且设计时不必了解过多的硬件细节。有丰富的软件支持VHDL的综合和仿真，从而能在设计阶段就能发现设计中的Bug，缩短设计时间，降低成本。更方便地向ASIC过渡。VHDL有良好的可读性，容易理解，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描
11、述语言。在新的世纪中，VHDL语言将承担起大部分的数字系统设计任务。VHDL是为了满足逻辑设计过程中的各种需求而设计的。首先，它可以用来描述逻辑设计的结构，比如逻辑设计中有多少个子逻辑，而这些子逻辑又是如何连接的。除此之外，VHDL并不十分关心一个具体逻辑是靠何种方式实现的，而是把开发者的精力集中到逻辑所实现的功能上。其二，VHDL采用类似高级语言的语句格式完成对硬件行为的描述，这也是为什么我们把VHDL称为“编程语言”的原因。 最后，VHDL所给出的逻辑的模拟与调试为设计工作提供了最大的空间，用户甚至不必编写任何测试向量便可以进行源代码级的调试。而且，设计者可以非常方便地比较各种方案之间的可
12、行性及其优劣，而不需做任何实际的电路实验4。现在在国内对于温度的检测技术还没达到最高端的水平，对于检测到的温度还不是很精确，而其最重要的地方还是传感器的工艺水平有限。在采用热电偶，金属测温电阻，集成温度传感器三种不同传感器时，只有使用集成温度传感器才能达到最佳的效果。在应用于工业生产的环境下，采用较多的还是用单片机来实现的。单片机设计的温度检测电路已经达到顶端的水平，很难有更进一步的潜力来开拓出新的功能，而且单片机有它自己一定的局限性。在其使用方面也到了一定的瓶颈，完全没有CPLD来设计的灵巧。在国内外现有的电阻式数字温度表，一般采用电桥将电阻转化为电压，经适当放大后，通过A/D转换器变成温度
13、的数字信号。由于电桥输出与温度并非线性关系，放大环节还需进行线性化修正。这种方式电路复杂，成本高，同时还须精密恒压源辅助作用。另外，现今很多数字温度计都是用单片机设计的。用我们的CPLD制作的温度计与其它实现方法如单片机相比，它将单片机用以实现运算的硬件电路以软件的形式下载到芯片中，例如单片机要用两级运放来实现乘与减的运算，而用CPLD实现的系统只用VHDL语言在芯片内部编程即可，降低了系统电路的复杂程度。而且，CPLD在设计过程中可用有关软件进行各种仿真，以确保设计的正确性。随着世界上对温度的测量和控制方法已经比较成熟与EDA 技术的广泛应用。CPLD具有非挥发特性，可以重复写入并在粘合逻辑
14、、地址译码、简单控制、FPGA加载等设计中有广泛应用 。其硬件描述语言决定系统功能使的温度检测电路具有较好的灵活性和适应性。同时可以让电路不改变的情况下最大性度的扩展硬件。三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）：在工业生产过程中, 温度是一个重要的控制参数。目前已有的温度自动控制系统, 大都是以单片机为核心, 存在着系统硬件电路比较复杂、外围分离元件较多等问题。随着EDA 技术的发展, 基于可编程逻辑器件的电路设计简单方便，应用越来越广。本文设计了一个以CPLD 可编程逻辑器件为核心的温度控制系统, 该系统数据采样控制以及功率调整均由CPLD 实现。把该电路分为4大模块：（1）
15、接受模块，传感器接受外界的环境温度，并把其传送到A/D转换器(2)控制模块,激活A /D转换器动作、接收A /D转换器传递过来的数字转换值;(3)数据处理模块,将接收到的转换值调整成对应的数字信号，并送到CPLD以待运算和处理;(4)显示模块,产生数码管的片选信号,并将数值处理模块输出的BCD码译成相应的7段数码驱动值。对每一个模块进行分析和论证，温度传感器的选择和其电路的分析都要有一个具体的说明。对A/D转换器的选择也要有个具体的论证和分析，对其工作的原理以及电路也要有个说明。显示电路采用BCD码的方式，用7段译码器来显示都要有具体的方案。至于软件方面，程序的编写均采用VHDL语言，这样有比
16、较好的统一。此设计方案中的重点是:1. A/D转换器的方案设置2. 数字信号的装换3. 放大器参数选择此设计方案中的难点是：1. 硬件电路的设计2. CPLD控制模块的软件实现四、设计（研究）进度计划：1. 收集相关资料，分析消化资料。（4-6周）2. 方案比较与论证，确定最优方案。（7-8周）3. 设计编写子程序及主程序（9-12周）4. 测试方案可行性及计算机仿真结果。（13-14周）5. 编写设计说明书。（15-16周）6. 毕业答辩。（17周）基于CPLD的多功能温度检测系统设计摘 要随着我国工业生产的发展和自动化程度的不断提高，迫切需要对各种生产过程的物理量进行精确检测。温度，作为大
17、多数生产过程中的重要物理量，对它们的精确测量越来越受到人们的重视。本文以Ahera公司MAX7000S系列EPM7128S为核心，利用集成电流型温度传感器AD590 实现智能化温度检测。同时给出了温度检测系统的各部分硬件设计框图以及相关的软件流程图。该温度检测系统既有高精度，高稳定性、抗干扰性强, 应用范围广等优点，又提高了测量的自动化水平，同时具有较高的性价比。因此，本设计的温度测量仪表具有较高的应用价值和广泛的应用前景。基于温度检测系统的设计要求，介绍了以CPLD(复杂可编程逻辑器件)实现系统的设计思路，并且结合设计中的分析和研究，给出用VHDL语言对系统进行编程设计的具体方法，展示了CP
18、LD在系统设计与实现中的优势。关键词：温度检测；可编程；EPM7128S；CPLD；VHDLDESIGN OF TEMPERATURE MEASURING SYSTEM BASED ON CPLDABSTRACTWith development of our industry manufacture and automation, there is an urgent demand of accurate measurement of the physical element in all sorts of production process. Temperature is the impo
19、rtant physical element in most production process, people pay more attention to their accurate measurement. The temperature detection of intelligent system is designed by EPM- 7128S (MAX7000S series of Ahera company), and temperature sensor AD590 . Besides , advantages of original equipment , such a
20、s non - contact , high precision , strong anti - jamming , were maintained. The system has high performance/ price ratio. The system suits for accurate measurement of industrial component s especially.The thought way and methods that bases on CPLD（Complex programmable logic device） and the criterion
21、 of temperature measuring system had been introducedCombining several analyzing and research teaches，the material methods based on CPLD program,and the advantage of CPLD had been send out.Key words：Temperature Detection；Programmable；EPM7128S；CPLD；VHDL目 录1 绪论11.1 引言11.2 课题研究的背景及意义11.3 国内外发展状况32 VHDL及
22、MAXPLUS平台介绍42.1 VHDL的介绍42.2 Max+plusII的介绍43 原理和方案论证63.1功能原理63.2控制系统63.3温度传感器的方案论证63.4 A/D转换器的方案论证94 硬件电路设计114.1温度检测系统114.2温度传感器114.3电源模块124.4运算放大器模块124.5 AD转换模块134.6数码管显示电路154.7键盘155 软件设计175.1电子钟模块175.2温度检测模块185.3显示电路模块206系统仿真227结论23参考文献24致谢.25附录.26附录A 设计原理图.26附录B 温度检测系统程序.27附录C 电子时钟显示程序.35附件 附件1 开题
23、报告附加2 译文及原文影音文件1 绪论1.1 引言随着超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuites)的发展，硬件设计和软件设计的结合，片上器件的尺寸的缩减，金属层数目则继续增加的条件下，都有利于CPLD/FPGA(Complex Programmable Logic Device/FieldProgrammable Gate Array)在市场上的普及，并推动应用系统的设计走向系统级芯片设计。VHDL作为IEEE标准的硬件描述语言和EDA（Electronic Design Automation）的重要组成部分，在电子设计的存档、程序模块的移植、
24、ASIC设计源程序的交付，IP核的应用等方面担任着不可或缺的角色。采用EDA技术进行电子设计，可使整个系统大部分集成在一个芯片上，从而达到体积小、功耗低、系统稳定、可靠的特点。随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，EDA技术的含量正以惊人的速度上升，电子类高新技术项目的开发也更加依赖于EDA技术的应用。即使是普通的电子产品技术的开发，EDA技术常常使一些原来的技术瓶颈得以轻松的突破，从而使产品的开发周期大为缩短、性能价格比大幅提高。再加上因特网发展的趋势也有利于其发展，所有这些门电路能用许多线快速轻松地连接起来，有助于加速芯片实现过程并增强性能1 。1.2 课题研究的背景及意义可编程逻
25、辑设计是近年来在电子设计领域中出现的一门新技术，它把复杂的数字系统转化为用一两个可编程逻辑器件即可实现的“片上”系统; 把系统的更新换代转化为简单的在系统编程设计; 把后期进行的系统调试转移到设计实现之前在计算机上进行的功能仿真和时序仿真中2。这种新的技术将使硬件设计向软件化方向发展，它将大大简化数字系统的开发设计过程，从而有效地减少系统的体积，增加系统的可靠性，而且缩短开发周期，降低研制成本。复杂可编程逻辑器件CPLD是当今应用最广泛的可编程逻辑器件之一，后者也称为可编程专用集成电路（ASIC）。CPLD的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像软件一样通过编程来修改，这样
26、就大大地提高了数字系统设计的灵活性和通用性。硬件描述语言是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言，它的发展至今已有几十年的历史，并已成功地应用到系统的仿真、验证和设计综合等方面。有专家认为，在新的世纪中，使用VHDL语言来设计数字系统是电子设计技术的大势所趋。EDA(Electronics Design Automation)即电子设计自动化技术，是一种以计算机为基本工作平台，利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以至人工智能学等多种计算机应用学科的最新成果而开发出来的一整套软件工具，是一种帮助电子设计工程师从事电子元件产品和系统设计的综合技术。总的来说，现代EDA技术的基本特
27、征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。它主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，使开发者从一开始就要考虑到产品生成周期的诸多方面，包括质量、成本、开发时间及用户的需求等等。然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错，并用VHDL、VerilogHDL、ABEL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路 2 。EDA工具的发展经历了两个大的阶段：物理工具和逻辑工具。现在EDA和系统设计工具正逐渐被理解成一个整体的概念：电子
28、系统设计自动化。物理工具用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、印刷电路板布线等等；逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念，首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用EDA系统完成综合、仿真、优化等过程，最后生成物理工具可以接受的网表或VHDL、Verilog HDL的结构化描述。现在常见的EDA工具有编辑器、仿真器、检查分析工具、优化综合工具等等。VHDL (Very - High - Speed , Integrated Circuit HDL ，超高速集成电路硬件描述语言) 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL 的语
29、言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。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、端口) 和内部(或称不可视部分) ，不可视部分描述了实体的内部功能和算法。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。作为一种标准，几乎所有的综合仿真工具都支持它，在一个地方建立的模型可以在另外一个地方运行。VHDL具有很强的行为描述能力，可以避开具体的器件结构从高层次上描述和设计大规模电子系统；具有丰富的宏功能和兆
30、功能库函数，可简化底层设计；具有强大的仿真函数，可进行系统功能可行性的早期证验；具有支持大规模设计的分解和已有设计的共享功能，可满足多人甚至多个工作组共同并行工作高效、高速设计大规模系统的需要3。1.3 国内外发展状况EDA技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计
31、方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。在国内外现有的电阻式数字温度表，一般采用电桥将电阻转化为电压，经适当放大后，通过A/D转换器变成温度的数字信号。由于电桥输出与温度并非线性关系，放大环节还需进行线性化修正。这种方式电路复杂，成本高，同时还须精密恒压源辅助作用。另外，现今很多数字温度计都是用单片机设计的。用我们的CPLD制作的温度计与其它实现方法如单片机相比，它将单片机用以实现运算的硬件电路以软件的形式下载到芯片中，例如单片机要用两级运放来实现乘与减的运算，而用CPLD实现的系统只用VHDL语言
32、在芯片内部编程即可，降低了系统电路的复杂程度。而且，CPLD在设计过程中可用有关软件进行各种仿真，以确保设计的正确性。2 VHDL及MAXPLUS平台介绍2.1 VHDL的介绍VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。这种语的成就有两个方面：描述复杂的数字电路系统和成为国际的硬件描述语言标准。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口，是一种快速的电路设计工具，功能涵盖了电路描述，电路合成，电路仿真等
33、三大电路设计工作。它用于设计复杂的、多层次的设计。支持设计库和设计的重复使用，与硬件独立，一个设计可用于不同的硬件结构，而且设计时不必了解过多的硬件细节。有丰富的软件支持VHDL的综合和仿真，从而能在设计阶段就能发现设计中的Bug，缩短设计时间，降低成本。更方便地向ASIC过渡。VHDL有良好的可读性，容易理解，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。在新的世纪中，VHDL语言将承担起大部分的数字系统设计任务3。2.2 Max+plusII的介绍Max+plusII(或写成Maxplus2,或MP2) 是Altera公司推出的的第三代PLD开发系统(Altera第四代PLD开发系统被称
34、为：QuartusII，主要用于设计新器件和大规模CPLD/FPGA).使用MAX+PLUSII的设计者不需精通器件内部的复杂结构。设计者可以用自己熟悉的设计工具（如原理图输入或硬件描述语言）建立设计，MAX+PLUSII把这些设计转自动换成最终所需的格式。其设计速度非常快。对于一般几千门的电路设计，使用MAX+PLUSII，从设计输入到器件编程完毕，用户拿到设计好的逻辑电路，大约只需几小时。设计处理一般在数分钟内内完成。特别是在原理图输入等方面，Maxplus2被公认为是最易使用，人机界面最友善的PLD开发软件，特别适合初学者使用。通常可将FPGA/CPLD设计流程归纳为以下7个步骤，这与A
35、SIC设计有相似之处。1.设计输入。在传统设计中，设计人员是应用传统的原理图输入方法来开始设计的。自90年代初， Verilog、VHDL、AHDL等硬件描述语言的输入方法在大规模设计中得到了广泛应用。2.前仿真（功能仿真）。设计的电路必须在布局布线前验证电路功能是否有效。（ASCI设计中，这一步骤称为第一次Sign-off）PLD设计中，有时跳过这一步。3.设计编译。设计输入之后就有一个从高层次系统行为设计向门级逻辑电路设转化翻译过程，即把设计输入的某种或某几种数据格式(网表)转化为软件可识别的某种数据格式(网表)。4.优化。对于上述综合生成的网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小更快的综
36、合结果代替一些复杂的单元，并与指定的库映射生成新的网表，这是减小电路规模的一条必由之路。5.布局布线。在PLD设计中，3-5步可以用PLD厂家提供的开发软件（如 Maxplus2）自动一次完成。6.后仿真（时序仿真）需要利用在布局布线中获得的精确参数再次验证电路的时序。（ASCI设计中，这一步骤称为第二次Signoff）。7.生产。布线和后仿真完成之后，就可以开始ASCI或PLD芯片的投产。 同样，使用Maxplus2基本上也是有以上几个步骤，但可简化为：1.设计输入 2.设计编译 3.设计仿真 4.下载 3 原理和方案论证3.1功能原理器件在工作时,先启动控制模块,它对一次模数转换的控制由四
37、个状态组成。在状态S0,选定AD转换器,为模数转换做准备； 在状态S1,使AD转换器进行转换, 当INTR信号端由高电平转为低电平时,模数转换结束进入下一状态S2,为读取转换结果做准备；在状态S3, FPGA读取模数转换结果。接着,计算模块工作,求出二进制模数转换数据的12 位BCD 码。最后,启动显示驱动模块,将BCD码用数码管显示的数字电压值。功能电路说明分为三大模块:(1)控制模块,激活A /D转换器动作、接收A /D转换器传递过来的数字转换值;(2)数据处理模块,将接收到的转换值调整成对应的数字信号，并送到FPGA以待运算和处理;(3)显示模块,产生数码管的片选信号,并将数值处理模块输
38、出的BCD码译成相应的7段数码驱动值。7段数码显示器的作用是接收FPGA转换后的BCD数据并显示;FPGA兼有处理和协调作用,包括控制A /D转换动作、接收A/D转换结果及编码、驱动显示等作用。3.2控制系统以CPLD为核心的，以VHDL语言来设计的温度检测电路，可将警戒温度等参数预存进去,供脱机工作(即不与PC 机相连) 时使用。同时,CPLD芯片技术除了大大减少集成芯片的数目,便于对系统进行扩展,还可以缩短开发周期降低开发成本,同时提高了技术保密性。与FPGA 技术相比,CPLD有掉电不易失的优点,使用更加方便4。3.3温度传感器的方案论证一、温度传感器选用细则现代传感器在原理与结构上千差
39、万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1. 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，
40、有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。2. 灵敏度的选择：通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的串扰信号3. 频率响应特性：传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而
41、由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因为频率低的传感器可测信号的频率较低。4. 线性范围：传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。5. 稳定性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主
42、要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。6. 精度：精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。二、提出不同方案如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测
43、量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。方案一：热电偶，热电偶是利用塞贝克效应制成的温度传感器。把两种不同的金属连在一起，当接点处温度变化时，就在相应电路中产生温差电动势。实际应用的热电偶具有线性度好，稳定性高，互换性强，以及响应快等特点。但是其测量温度范围太宽，如R型热电偶使用温度范围为2001400，K型热电偶（镍铬合金镍铝合金），使用温度范围为01000等，其不适合日常生活的环境实验设备，只适合于金属冶炼等厂矿。方案二：金属测温电阻，金属铂，铜，镍等一般具有0.3%0.6%/的正的电阻温度
44、系数,因而可用这些金属丝绕制成电阻器进行测温。典型的金属测温电阻有铂电阻器，镍电阻器，铜电阻器。但这三种金属温度电阻器具有各自的缺点：铂价格昂贵，镍稳定性较差，精度不高，铜温度稍高则会因氧化而失效。方案三：集成温度传感器，集成温度传感器实质上是一种采用硅半导体集成工艺制成的半导体集成电路，因此也称为硅传感器或单片集成温度传感器。集成温度传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单、精度适中、线性好、灵敏度高、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种
45、。模拟集成温度传感器。是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。权衡以上三个方案的利弊，决定选择方案三作为最终的设计方案。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它使用方便，信号易于调理，但它们的测温范围普遍窄，一般在200以下。AD590在测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的电路中都得到广泛的应用。所以本文选中AD590来作电路所需的传感器三、温度传感器说明AD590是美国模拟器件公司生产的集成传感器。它的主要特性如下：1、流过器件的电流等于器件所处环境的热力学温度度数。2、AD59
46、0的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、精度高。在本文中所测量的温度 =（ADC0804的DB7DB0转换位)*2-273假如转换的值为186 则温度=（ADC0804的DB7DB0转换位)*2-273=186*2-273=99ADC590的温度感测能力是，温度每升高1K就增加1uA的电流量。在0度时就等于273K，则输出电流量273uA。 3.4 A/D转换器的方案论证A/D转换器是将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量，A/D
47、转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。AD转换器的主要技术指标：转换精度和转换时间1、转换精度是采用分辨率和转换误差来描述的。分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制码最低有效位时，输入模拟量的最小变化量。反映了A/D转换器对输入模拟量的分辨能力。在最大输入电压一定时，位数越多，量化单位越小，分辨率越高。转换误差通常用输出误差的最大值形式给出，反映了A/D转换器实际输出数字量和理论输出数字量之间的差异。2、转换时间是指转换控制信号到A/D转换器输出端得到稳定的数字量所需要的时间。转换时间与A/D转换器类型有关。实际应用中，应根据数据位数、输入信号极性与范围、精度要求和采样频率等几个方面综合考虑A/D转换器的选用。 AD转换器的分类：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、及压频变换型等。积分型的工作原理是将输入电压转换成时间或频率，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能
