基于FPGA的多路温度实时监测系统的设计

2022-06-24于小龙

山西电子技术 2022年3期

于小龙

(山西省机电设计研究院有限公司，山西太原 030009)

在仪器仪表等领域中，温度是反映设备运行状态的重要参数，对温度的实时监测具有十分重要的意义。随着电子技术的飞速发展，FPGA器件越来越多地应用到仪器仪表中，FPGA具有速度快、灵活性强的特点，非常适合温度的实时采集。LM75A是一款内置带隙温度传感器的温度检测器，采用I2C接口。本文采用型号为EP4CE6E22C8的FPGA芯片作为温度实时监测系统的主控芯片，温度检测模块采用LM75A芯片，采集的4路温度数据通过RS232接口分别发送给7寸LCD液晶屏和蓝牙模块。7寸LCD液晶屏用于温度的实时显示，蓝牙模块用于无线接收。

1 系统总体框图

本系统的总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

由图1可知，整个系统划分为3部分：1)由4个LM75A构成的分布式温度测量模块，该模块通过I2C总线与FPGA相连。2)由FPGA构成的系统控制核心，负责分时采集处理4路温度信号并将其通过RS232接口送至LCD屏幕和蓝牙模块。3)由7寸LCD屏幕构成的显示模块及用于将数据无线发送的蓝牙模块。

2 分布式温度测量模块

分布式温度测量模块由4块LM75A芯片构成。LM75A是一种I2C接口的温度传感器，各大半导体生产厂家都有生产，如德州仪器(TI)、恩智浦(NXP)、意法半导体(ST)等，各个厂家的命名稍有差别，但硬件上、程序上是完全兼容的。本设计采用的是恩智浦(NXP)的芯片。LM75A具有如下特点：1)测量的温度范围为-55 ℃～+125 ℃。2)测量精度0.125 ℃。3)3个地址选择引脚，同一根I2C总线上最多挂8个LM75A。LM75A的引脚图如图2所示。

图2 LM75A的引脚图

各引脚功能如下：SDA：I2C串行双向数据线。SCL：I2C串行时钟输入。OS：过热关断输出。GND：系统地。A2：用户定义的地址位2。A1：用户定义的地址位1。A0：用户定义的地址位0[1]。VCC：电源3.3 V。4块LM75A芯片挂在同一条I2C总线上，3位地址分别为000、001、010和100。I2C总线如图3所示。

图3 I2C总线

3 系统控制核心

FPGA芯片的型号为EP4CE6E22C8，控制核心采用硬件描述语言Verilog进行编程设计，具体又划分为3个模块：1)LM75A控制模块，主要模拟I2C时序，产生50 kHz时钟，控制4块LM75A芯片分时采集温度数据，并将采集到的温度数据传到数据处理模块。2)数据处理模块，将温度数据处理为便于LCD屏显示的数据。因为LM75A采集到的数据是以二进制补码形式表示的11位温度数据，分辨率为0.125 ℃,实际中并不需要这么高的分辨率，本设计只精确到0.1 ℃。3)数据发送模块，负责处理数据处理模块发送过来的8位数据，并通过RS232接口同时发送给LCD屏幕和蓝牙模块。

程序中通过设置一个250 ms的计数器，实现FPGA每间隔250 ms发送一次采集指令，读取一块LM75A的温度数据，即1 s内依次读取4块LM75A温度。FPGA是主机，LM75A是从机。第一个测量周期内主机首先发送起始信号，然后发送从机地址和方向位“读”，从机返回应答位，从机返回高字节，然后主机发送应答位，从机返回低字节，主器件发送非应答[2]，至此第一块LM75A采集过程结束。另外三块LM75A数据采集过程类似，如此循环。

采集到的数据是以二进制补码形式表示的11位温度数据，而LCD屏幕可以显示的数据格式为十六进制，因此需要将数据进行处理。例如，温度为25 ℃时，LM75A传回的数据为两字节二进制数0001_1001_0000_0000,用十六进制表示为1900,十进制表示为6400，而LCD屏幕要显示25.0 ℃时需传给它的数据应为00FA(十六进制)。故数据处理模块首先将收到的两字节二进制数(记为temp)右移5位(记为temp1)，去掉无效数据，然后temp1右移2位(记为temp2)，将temp2和temp1相加(结果记为temp3)，则temp3即为要发送给LCD屏显示的数据。还是以25 ℃数据为例进行说明，收到0001_1001_0000_0000(temp)，右移5位得0000_0000_1100_1000(temp1)，再右移2位得0000_0000_0011_0010(temp2),将temp2和temp1相加得最终结果0000_0000_1111_1010(temp3，十六进制250)，发送给屏幕即可显示25.0 ℃。

FPGA程序编译后的RTL视图如图4所示，lm75_ctr为LM75A控制模块，lm75_data_process为数据处理模块，usart_tx为数据发送模块。

图4 RTL视图

4 LCD屏幕和蓝牙模块

LCD屏幕尺寸为7英寸，分辨率800×640，数据接口为RS232，用于实时显示4块LM75A芯片采集的温度数据。蓝牙模块可将温度数据无线发送，用于远端接收及调试。LCD实际显示效果如图5所示。手机蓝牙APP收到的数据如图6所示。

图5 LCD实际显示效果

图6 手机蓝牙APP界面

以蓝牙收到的一帧数据A5 5A 05 82 00 01 00 D2为例，A5 5A是发给LCD屏幕的帧头，05表示指令长度，82表示写屏幕寄存器指令，00 01表示存储器单元地址也即第一个LM75A数据存放地址，00 D2表示温度数据(十六进制，十进制为210，屏幕设置为小数点后一位)即温度为21.0 ℃。其他类似。