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基于FPGA的温度控制电路测量系统设计

作　者: 王晓辉
导　师: 王健
学　校: 西安工业大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 测量系统温度控制电路 FPGA NiosⅡ 温度基准
分类号: TN45
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

温度控制电路是由数字集成电路和模拟集成电路组成的混合式集成电路,主要用来测量某特殊设备内部电子部件环境工作温度。温度控制电路测量系统主要完成在特定温度范围(-60℃～+150℃)内,对温度控制电路(混合式集成电路)所测温度是否满足电性能指标的测量。在目前广泛应用的测量系统中,多数采用单片机作为处理器,但是单片机在高速数据采集和处理方面却存在着抗干扰性差、速度慢等缺点,使测量系统的稳定性和实时性受到了很大的影响。而本文提出的以FPGA为主处理器,Nios II作为系统控制单元,由自定义的FPGA功能模块和SOPC片上系统并辅以适当的软、硬件资源实现的测量系统有效的解决了以单片机为主处理器的测量系统所存在的问题。文中对温度控制电路这一产品进行了简单介绍,提出了温度控制电路需要测量的性能指标和测量系统的技术要求。针对这些指标及要求,设计了详细的测量方案,通过对测量系统硬件和软件的设计,构建了一个可靠的温度控制电路测量系统。设计实现了供电及电压/电流监控电路、时间基准脉冲信号产生电路、信号隔离电路、温度基准电路等,并利用Verilog HDL进行功能模块编程,利用C语言对Nios内核进行整个系统的控制编程。使本系统在保证可靠性的前提下实现对温度控制电路工作性能的测量。同时,利用Nios Ⅱ技术开发的系统使外围硬件电路结构简单、性能更稳定可靠,并且可以灵活地实现定制应用。通过对设计的“温度控制电路测量系统”进行调试,结果表明该系统运行稳定,实现了预期的功能,本系统很好地满足了温度控制电路性能指标测试的需求,对保证产品质量具有积极意义,取得了较好效果。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-15
  1.1 测量系统的理论与发展  10-12
    1.1.1 测量技术概述  10-11
    1.1.2 测量系统的发展  11-12
  1.2 可编程逻辑器件的发展  12
  1.3 本课题的研究背景及其意义  12-13
  1.4 论文研究的主要内容  13-15
2 FPGA和NiosⅡ技术及开发方法  15-23
  2.1 FPGA技术概述  15-17
    2.1.1 FPGA技术的特点  15
    2.1.2 FPGA的设计流程  15-17
  2.2 NiosⅡ处理器系统  17-20
    2.2.1 NiosⅡ软核处理器  17-18
    2.2.2 Avalon总线  18-19
    2.2.3 NiosⅡ系统的外设  19-20
  2.3 开发工具和设计流程  20-22
    2.3.1 开发工具  20-21
    2.3.2 设计流程  21-22
  2.4 小结  22-23
3 系统整体方案及外围硬件电路设计  23-43
  3.1 被测电路简介  23-24
  3.2 系统功能要求  24
  3.3 系统整体方案设计  24-25
    3.3.1 测量系统原理  24-25
    3.3.2 系统整体方案设计  25
  3.4 外围硬件电路设计  25-40
    3.4.1 测量仪器的电源供电设计  25-26
    3.4.2 电源控制模块  26-29
    3.4.3 FPGA最小系统  29-31
    3.4.4 接口模块  31-34
    3.4.5 继电器控制  34
    3.4.6 温度基准  34-39
    3.4.7 LCD和键盘电路  39-40
    3.4.8 声光报警电路  40
  3.5 印制电路板设计  40-41
    3.5.1 电路原理图设计  40-41
    3.5.2 芯片封装的选择  41
    3.5.3 PCB的布局与布线  41
  3.6 系统控制过程  41-42
  3.7 小结  42-43
4 NiosⅡ处理器系统及软件设计  43-66
  4.1 NiosⅡ处理器系统设计  43-52
    4.1.1 系统需要分析  43-44
    4.1.2 系统模块创建  44-47
    4.1.3 外围定制设备的设计  47-52
  4.2 测量系统软件设计  52-58
    4.2.1 软件设计流程  52-53
    4.2.2 硬件抽象层(HAL)系统库  53-54
    4.2.3 使用HAL开发程序  54-56
    4.2.4 主程序设计  56-57
    4.2.5 系统初始化模块  57
    4.2.6 A/D转换模块  57
    4.2.7 电源监控模块  57-58
    4.2.8 按键模块  58
  4.3 测量系统的实现  58-62
    4.3.1 SOPC片上系统的实现  58-60
    4.3.2 时间基准脉冲  60
    4.3.3 上电时序控制  60-61
    4.3.4 信号切换设计  61-62
    4.3.5 A/D转换器件  62
  4.4 测量系统调试  62-64
    4.4.1 硬件调试  62-63
    4.4.2 软件调试  63
    4.4.3 系统工作过程  63-64
  4.5 系统误差分析  64-65
    4.5.1 系统误差产生的原因  64-65
    4.5.2 系统误差的减小和消除方法  65
  4.6 小结  65-66
5 系统可靠性、安全性、稳定性设计  66-68
  5.1 可靠性设计  66
  5.2 安全性设计  66-67
  5.3 稳定性设计  67-68
6 结论  68-70
  6.1 结论  68-69
  6.2 研究工作的展望  69-70
参考文献  70-72
攻读硕士学位期间发表的论文  72-73
致谢  73-75

基于FPGA的温度控制电路测量系统设计

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