（计算机应用技术专业论文）基于fpga的电压电流温度监测系统设计与实现.pdf

摘要 对一些信号的监测尤其是对电压、电流、温度等模拟量的监测有着很广泛的应用， 通过监测到的数据，可以对系统相关设置进行及时调整，为人们的生产生活带来便利 与保证。 系统采用a c t e l 公司先进的模数混合f p g a 以及a c t e l 公司的s o p c 设计解决方案， 单芯片实现以c o r t e x m l 处理器为核心的片上监测系统。它可以完成对电压、电流、 温度等模拟量的监测，系统模拟模块将采集到的数据a d c 后送给处理器c o r t e x - m 1 进 行处理，通过串行口，以太网口和o l e d ，实现与p c 主机交互，板上实时显示以及远 程主机检测功能。借助于a c t e l 的先进的新型f u s i o n 模数混合f p g a 器件，单芯片实 现可直接对外部模拟信号进行处理的数模混合系统，简化了设计；对电压，电流，温 度等模拟量的测控在日常生活中有很重要的意义，该系统在智能家电，电源监控以及 微控制器等领域有广泛的应用前景。 本文研究的主要内容包括： 1 对现有嵌入式设计方法进行比较，确定系统设计目标并选择s o p c 方案设计系 统； 2 系统硬件平台设计； 3 系统软件设计。 关键词：监测；f p g a ；模数混合；电压、电流、温度； a b s t r a c t t h e r ea r ew i d ea p p l i c a t i o n so fa n a l o g o u sm o n i t o r i n gs u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n ta n d t e m p e r a t u r ei ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d w ec a na d j u s tt h es y s t e mi nt i m eb yd a t am o n i t o r i n gt o b r i n gf a c i l i t a t ea n da s s u r a n c et o0 1 1 1 p r o d u c ：i o na n d l i f e a c t e lc o r p o r a t i o nf i r s t l yi m p l e m e n t sm i x e da n a l o g - t o - d i g i t a li nf p g a ，w h i c hm a k e sv e r y e a s yt om o n i t o ra n a l o g - d i g i t a ls i g n a l s i nt h i sp a p e r ，w e u s ea c t e l ss o p cs o l u t i o na n dm c u c o r t e xmib u i l das y s t e mt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fm o n i t o r i n ga n a l o gs i g n a l si nas i n g l e c h i p t h ea n a l o gm o d u l ec o n v e r tt h ea n a l o gs i g n a l st h a tt h em o d u l es a m p l e st od i g i t a ls i g n a l s ， t h e ns y s t e m sm c uc o r t e x m 1p r o c e s s e st h ed i g i t a ls i g n a l s ；t h es y s t e ma c h i e v e st h eg o a lo f c o m m u n i c a t i n gw i t l lp ct h r o u g hu a r t ，a n da c h i e v e st h et a r g e to fl o n g - d i a t a n c cm o n i t o r t h r o u 曲t h em a cm o d u l e ，a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e ma l s oc a nd i s p l a yt h em o n i t o r i n gr e s u l t i nr e a lt i m eo no l e dm o d u l e t h er e s u l to fm o n i t o r i n gi l l u s t r a t e st h a tt h em o n i t o r i n gs y s t e m h a sag o o dp e r f o r m a n c e s t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 c o m p a r ee x i s t e dm e t h o do fe m b e d e ds y s t e md e s i g n , a n dc h o s s es o p cm e t h o dt o d e s i g nt h es y s t e m ； 2 d e s i g na n di m p l e m e n to fs y s t e mh a r d w a r e ； 3 d e s i g na n di m p l e m e n to fs y s t e ms o f f w a i r e k e y w o r d s ：m o n i t o r ；f p g a ；a n a l o g - t o - d i g i t a l ；v o l t a g ec u r r e n tt e m p e r a t u r e ； 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：丕六穆 学位论文知识产权权属声明 日期：d 罗年卵伊 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密毗 ( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：至签：量 导师签名： 建蓬擎l 日期：0 7 年6 月6 日 日期：d j 年6 月石日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用 第一章引言 第一章引言 1 1 选题背景 近年来，电子技术快速发展，嵌入式系统在自动检测和自动控制系统中的广泛应 用【s 】，电压、电流、温度等的监测越来越重要，现在利用数字系统处理模拟信号的情况 也越来越多，但数字系统所处理的信号都是不连续的数字信号，而待测的电压电流温 度等都是模拟量，这就需要进行a d 转换即将监测到的模拟信号转换成数字信号，最 终由数字系统进行处理。 现阶段测控应用系统【5 】f 艮多，大致可以分为两种： 1 采用分立模拟元件和混合信号a s i c 供应商提供的器件搭建硬件平台 系统的各个功能模块由分立的处理器核心以及a d d a 转换电路及其外围电路组 成。采用分立模拟元件和混和信号a s i c 器件的系统由于使用的是功能固定的定制芯 片，固定的架构及其它技术障碍都阻止各个组件集成到一个低成本的单芯片中，难以 满足所有设计需求。而且价格高昂、耗费空间、不易裁剪，功能固定，不易扩展； 2 采用s o p c 技术【1 1 】的测控系统 目前的s o p c 方案，即基于f p g a 等可编程器件的系统【】，大部分无法在f p g a 内直接产生混合信号进行处理，仍需要外扩a d d a 模数数模转换电路，将外部检测 到的模拟信号转换成数字信号，然后将数字信号送入f p g a 内进行处理，完成设定功 能，另外，一般基于s r a m 的f p g a 不能上电运行【1 2 1 ，上电后要加载配置，需要一定 的反应时间。这也限制了s o p c 技术在可编程器件应用i 矧与混合技术方面的发展。 a c t e l 公司在业界第一次在f p g a 中实现了模数混合【1 1 【3 】，该公司的f u s i o nf p g a 的s o p c 方案，解决了以上的问题，可以将处理器及各个接口模块【2 9 】如处理器模块、 通信模块如u a r t 、中断模块【2 1 1 、液晶显示模块等集成到单芯片f p g a 中，同时将模 拟部分集成在f p g a 中，并使用了f l a s h 架构，可以上电运行，这将是以后设计的一个 发展趋势【9 】。这使得在s o p c 方案中可以非常简单的实现对模数信号的转换、监控。 使用a c t e l 公司的f u s i o n 系列混合信号f p g a 及软核微处理器c o r t e x m 1 【3 】为系统 核心，及a c t d 公司提供的免费e d a 3 0 t 具，构建一款电压、电流、温度监测系统， 采用f u s i o n 内部特有的1 2 位多路高速a d 转换器，实现电压、电流、温度等模拟信 号的检测，使用c o r t e xm 1 软核进行数据处理，加以实时显示。达到对模拟信号的监 测目的。具有系统硬件方案简单，集成度高，可靠性好，成本低等优点，监测结果表 明，该系统灵敏度、精确度都比较高。 1 2 系统预定目标及设计方案 本系统的预定目标是系统采集到的模拟信吁通过系统的模拟模块( c o r e a i 模块) 青岛大学硕十学位论文 转换成数字信号，送给微处理器c o r t e xm 1 进行处理，将监测到的数据通过u a r t 发 送到p c 的超级终端加以显示出来，并在o l e d 上加以实时显示结果，同时通过以太 网模块发送到远程主机，达到远程实时监测的目的。 各个模块的运行由微处理器c o r t e xm 1 进行协调。系统不断监测模拟输入端，如 果模拟输入有变化，就进行a d 转换，并将转换后的结果发送给c o r t e xm i ，c o r t e xm 1 再将接收到的结果在规定时间内通过通信模块发送到显示终端加以显示。 设计目标框图如图1 1 所示： 图1 1 设计目标框图 下面介绍一下各功能模块的主要功能 1 2 1 存储寄存器模块 我们选用的f p g a 内部集成了5 1 2 k b 的f l a s hm e m o r y 可以用来存储应用程序，以 上电即运行。同时开发平台提供了大小共1 m b 的s r a m 用来作为系统的内存。 1 2 2a i 模拟模块 主要功能是完成模拟信号的采袋、预处理、a d 转换。我们使用的f p g am 1 a f s 6 0 0 共提供了1 0 个模拟q u a d ，每个q u a d 郧a - - 4 通道系统，可以进行电压、电流、温度监 第一章引言 测和门驱动等功能。模拟信号输入到a i 模块后，先进行预处理， 1 2 3 通信模块 通信模块包括u a r t 模块1 9 1 和以太网模块f 1 0 1 ，其中u a r t 模块用于系统与p c 的 超级终端进行交互，以太网模块用于远程网络通信。 1 2 4 显示功能模块 o l e d 模块用来实时显示监测到的数据。 1 2 5a m b a 总线【9 】 设计采用a c t e l 公司大学计划提供的f u s i o n 评估开发版及其s o p c 解决方案，软 硬件协同设计【2 5 】方法。 本设计的工作主要分为：硬件系统的设计和软件系统的设计两部分，其中： 硬件系统设计分为两部分： lf p g a 内部硬件平台的搭建包括：主要使用a c t d 提供的免费i p 核【1 4 】【1 6 1 ，其中 选用的口核主要有处理器核：c o r t e xm 1 ；通信模块：u a r t 核和网络核c o r e l 0 1 0 0 ；模 拟模块：c o r e a i 核【4 1 ，存储器核：m e m c t r l 核和c o r c a h b n v m 核；g p i o 核等。 2f p g a 外围硬件，使用a c t d 公司提供的大学计划开发板，其外围设备主要有 s r a m 、o l e d 模块、电位计等，同时该开发板上提供了数字i o 和模拟i o 扩展槽。 软件部分主要完成a d 转换、数据存储、数据发送接收、o l e d 字库设计及显示 等。 。 1 3 开发平台简介 本设计基于a c t d 大学计划提供的开发板开发。开发平台实物图如图1 2 所示： 该开发平台除基于f l a s h 架构f p g a 芯片m 1 a f s 6 0 0 外还提供了丰富的外围器件， 主要有： 1 片双色1 2 8 3 2o l e d 显示屏； 4 0 m h z 晶振提供全局时钟； 低电平有效复位按键 8 【b i t ( 2 5 6 * 3 2 ) s r a m ： 用于调整模拟电压的电位器； 温度传感器； 电流监测电路； 外扩f l a s h 接口( 板上未带f l a s h ) ； f l a s h p r 0 3 编程调试器； 3 青岛大学硕十学忙论史 4 0 引脚数字扩展槽及5 0 引脚模拟扩展 u a r t 2 u s b 转换器等。 图1 2 开发平台实物图 a 电源提供和管理 开发板有两种供电方式：外部5 v 电源供电方式；u s b 供电方式。通过j u m p e r s 来切换。 b 时钟电路 丌发板卜提供两种时钟：链接到f p g a 全局时钟引脚的4 0 m h z 时钟和为实现f p g a 内r t c 而连接到板卜品振的3 27 6 6 8 k i t z 时钟，在开发板上f p g a 对应管脚分别是 p i n 2 0 6 和p i n 2 1 ，2 2 ： c 复位电路 板上复位信号低电平有效，按卜s w 3 丌关将产生复位信号，对应管脚是p i n 2 4 ， 复位电路如图13 所示： 第一章引言 图1 3 复位电路图 d0 l e d 显示电路 板上提供一块双色1 2 8 3 2o l e d 模块，与o l e d 通信所使用的协议是s p i 协议， 所用到的信号有r s t 、s c l 、s d a 以及o l e d c d 等。对应f p g a 管脚分别为p i n 2 4 、 p i n l8 、p i n 3 8 和p i n 3 7 e8 m b i t2 5 6 * 3 2 s r a m 开发板提供8 m b i t ( 2 5 6 * 3 2 ) s r a m ，可以用来存储用户数据以及a r m 可执行代 码。 f 板上模拟输入 板上的电位器可以提供模拟输入，它连接到f p g a 模拟q u a d 的a v 6 ；板上同时 提供电流传感电路，由3 3 v 和1 5 v 电压提供，它连接到模拟q u a d 的a c 7 和a c 8p a d s = 板上自带温度传感器，连接到f p g a 到模拟q u a d 的a t 6 和a t r t n 3 ，温度传感器示 意图如图1 4 所示： q 3 b c 8 4 7 图1 4 温度传感器 1 4 f u sio n 芯片简介 a c t e lf u s i o n 系列融合可编程系统芯片( p s c ) 器件是业界首款也是唯一具有模拟功 能的f l a s h 架构的f p g a ，融合了f p g a 数字内核、a d 转换器、f l a s h 存储器、模拟 的i o 、r t c 等数字和模拟器件【4 1 。f u s i o n 器件内部具有2 一- 8m b i t 不等的用户可用f l a s h 存储器和3 0 通道、最高1 2 位精度、最高6 0 0k s s 采样率的a d 车换器，片内1 0 0m h z 的r c 振荡器与p l l ( 锁相环) 一起共同为f p g a 提供时钟，以1 j 钉外沛l 时钟的开销。这 5 青岛大学硕士学位论文 些特点极大地提高了该系列f p g a 器件的功能，简化了系统设计，大幅度减少了电路 板面积和系统总成本。这种创新的a c t e lf u s i o n 架构可与a c t e l 的软m c u 内核同用， 是终极的可编程系统芯片平台，当f u s i o n 系列f p g a 器件结合8 0 5 1 ，c o r t e x m l ，a r m 7 等软件m c u 核时，还可以实现真正的s o c 系统【3 2 1 。a c t e lf u s i o n 系列f p g a 器件是迄 今为止最全面的单芯片模拟与数字可编程逻辑系统的解决方案【5 1 。增加的融合功能可在 电路板上省去多个附加元件，如f l a s h 内存、分立模拟i c 、时钟源、e e p r o m ，以及 实时时钟等，从而减低系统成本和电路板空间需求，如图1 5 所示。 图1 5 典型系统与f u s i o n 系统的区别 f l a s h 为基础的f u s i o n 器件具有类似于a s i c 的功率特性，还具有低静态和动态功 耗，能实现最多的功率节省。融合技术【i 3 】为系统的开发带来了新的功能，允许设计人 员将相同的硅片用于多种不同的应用中，并且能快速配合不断变更的行业标准。 a c t e lf u s i o n 芯片内部结构，如图1 6 所示，f u s i o n 芯片在原来a c t e lp r o a s i cf p g a 的基础上发展而来，这样就可以在一片芯片内搭建我们需要的整个系统，可以在芯片 内直接产生模拟信号，并加以转化为数字信号，交由微处理器如c o r t e xm 1 处理。 1 5 开发软件简介 开发软件包括：l i b e r oi d e8 5 、c o r e c o n s o l e1 4 和s o f l c o n s o l ev 2 1 l i b e r oi d e 是现有的最全面最强大的f p g a 设计开发软件，提供s t a r t t o f m i s h 设 计过程中全方位的指导。l i b e r o 中集成了强大的e d a 工具，如s y n p l i f y 综合工具、 m o d e l s i m 仿真工具、v i e w d r a w 、w a v e f o r m e r 等工具。l i b e r oi d e 支持所有的a c t e lf l a s h 和反熔丝产品，包括著名的f u s i o n 系列、i g l o o 低功耗系列、p r o a s i c 系列等。 第一章引言 图1 6f u s i o n 内部结构及模拟功能模块 c o r e c o n s o l e 是一个系统级的开发工具和部署平台。它能简化设计中各口核在 a c t e l 公司的f p g a 中的组装和互联过程，用户可以从a c t e l 公司或第三方i p 核提供商 提供的数据库中简便的选择p 软核，来搭建一个以处理器为核心的系统级设计彳 s o f l c o n s o l e 是一款免费的软件开发环境，通过该软件可以快速的完成适合a c t e l 的f p g a 内嵌处理器可执行的c c 抖可执行代码。在s o f l c o n s o l e 中，用户编写的高级 语言程序代码可以立即编译成可用的二进制可执行代码。s o f l c o n s o l e 提供的d e b u g 功 能，可以方便的对编写的程序进行板上调试。 1 6 论文的组织结构 本论文以系统硬件平台设计以及相应应用程序开发为主要内容，全文共分为四章， 主要内容如下： 第一章介绍目前监测系统概况、嵌入式系统设计方法、系统预定目标及方案以 及开发平台的选择； 第二章监测系统硬件平台的搭建； 第三章监测系统应用程序设计； 第四章对全文工作的总结以及对未来工作的展望。 7 青岛大学硕十学位论文 第二章系统硬件平台设计 系统的硬件平台大致可以分为以下几个功能模块部分：模拟模块、微处理器及 其外围模块、u a r t 模块、时钟产生模块、p w m 模块，以太网m a c c o r e l 0 1 0 0 模 块。这些功能模块都由a c t e l 公司提供的i p ( 知识产权核) 核组成。 2 1 模拟模块 模拟模块对应的口核是c o r e a i ，主要由模拟q u a a 、实时计数器( r t c ) 、模 数转换器( a d c ) 和模拟配置多路选择器( a c m ) 组成，所有这些都集成在一个模 拟模块宏单元上。 图2 1 模拟q u a d 不意图 模拟q u a d 是为了实现一些特有的模拟i o 的特性和对输入信号的预处理功能， 如图2 1 所示，模拟q u a d 是一个4 通道系统，在将模拟信号通过a d c 转换成数字 信号前，可以使用它对模拟信号进行预处理。一个模拟q u a d 由4 个模块组成：电 压监控模块、电流监控模块、门驱动模块、温度监控模块。 第一个模块为电压监控模块，其输入管脚为a v ，它含有一个二通道的模拟多 路选择器，可以选择让进来的模拟信号直接进入a d c ，或者让它先进入预处理器 二， 一 一 踟；g s y s c l 】k lock=open, gla=clk 1 6 m h z , g l b- c l kl m h z , o a d i 、佩s t_ 1 ) ； g p l 0 l i n c l k _ lm h z ， - - o u t p u t s p w m = p w m _ s i g s ) ； i n s t m i ：b a s i c d e s i g n 怕a s i c d e s i g n 例化 一p o r t l i s t p o r tm a p ( - i n p u t s g p i o d a t a i n - g p i oi n ， 一：i ns t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 9d o w n t o o ) ； n s y s r e s e t - n s y s r e s e t ， 一：i ns t d _ l o g i c ； r e m a p d e f a u l t - s _ r e m a p _ d e f a u l t _ i n ，一：i ns t d _ l o g i c ； s y s c l k _ c l k _ 16 m h z ， 一：i ns t d _ l o g i c ； u a r t r x = u a r t r x p i n ， 一：i ns t d _ l o g i c ； u j t a g _ u j t a g _ t c k = u j t a g _ u j t a g _ t c k , 一：i ns t d _ l o g i c ； u j t a g _ u j t a g _ t d l冷u j t a g _ u j t a g _ t d i 一：i ns t d _ _ l o g i c ； u j t a g u j t a g t m s _ u j t a g _ u j t a g _ t m s ， 一：i ns t d _ l i o g i c ； u j t a g u j t a g t r s t b - - u j t a g _ u j t a g _ t r s t b ， 一：i ns t d _ l o g i c ； a n a l o g _ s i g n a l s _ a c 0 = f u s i o n _ a c o ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a c1 = f u s i o n _ a c1 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a c 2 = f u s i o n _ a c 2 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a c 3 = f u s i o n c 3 ， 4 5 青岛大学硕士学位论文 a n a l o gs i g n a l s _ a c 4 一 f u s i o n _ a c 4 ， a n a l o gs i g n a l s a c 5 - - - - f u s i o n _ a c 5 ， a n a l o gs i g n a l s _ a c 6 一 f u s i o na c 6 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a c 7 = f u s i o n _ a c 7 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a c 8 - - f u s i o n _ a c 8 ， a n a l o gs i g n a l s _ a c 9 - - f u s i o na c 9 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a t 0 = f u s i o n _ a t 0 。 a n a l o g _ s i g n a l s _ a t l 一 f u s i o na t i ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a t 2 = f u s i o na t 2 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a t 3 = f u s i o n _ a t 3 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a t 4 = f u s i o n _ a t 4 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a t 5 f u s i o n _ a t 5 ， a n a l o g _ s i g n a l s a t 6 = f u s i o n _ a t 6 a n a l o g _ s i g n a l s _ a t 7 - f u s i o na t 7 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a t 8 = f u s i o n _ a t 8 a n a l o g _ s i g n a l s _ a t 9 f u s i o n _ a t 9 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a t r e t u r n 0 = f u s i o n _ a t r e t u r n ( 0 ) ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a t r e t u r n l = f u s i o n _ a t r e t u r n ( 1 ) ， a n a l o g _ s i g n a l s a t r e t u r n 2 = f u s i o n _ a t r e t u r n ( 2 ) ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a t r e t u r n 3 _ f u s i o n a t r e t u r n ( 3 ) ， a n a l o gs i g n a l sa t r e t u r n 4 - f u s i o n _ a t r e t u r n ( 4 ) ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a v 0 - f u s i o n _ a v 0 , a n a l o g _ s i g n a l s a v l _ f u s i o n _ a v l ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a v 2 = f u s i o n _ a v 2 ， a n a l o g _ s i g n a l s _ a v 3 = f u s i o na v 3