基于FPGA的温度检测和PWM风冷系统的设计与实现

第 14 卷 第 3 期 Vol. 14 No. 3

华中师范大学研究生学报

Huazhong Normal University Journal of Postgraduates 2007 年 10 月 October 2007

基于 FPGA 的温度检测和 PWM 风冷系统 的设计与实现

伍建军, 杨 滢, 黄 伟

( 中国地质大学 研究生院, 武汉 430074)

摘 要 : 本 文 介 绍 了 一 种 基 于 FPGA 的 温 度 测 量 仪 和 PWM 风 冷 系 统 。 采 用 集 成 温 度 传 感 器

MAX6577 作为温度检测元件, 以 PWM 脉宽调制方式控制直流电机的转速来实现降温。测温范围为 0℃～ 100℃,分辨率为 1℃,测温时间为 1 秒。整个电路采用 Altera 公司 Cyclone 系列 FPGA 芯片进行系统设计和 实现,可以方便地实现温度的测量和降温处理。

关键词: FPGA; PWM; 直流电机; 温度测量 中图分类号: TN407

文献标识码: A

温度测量被广泛应用于工农业生产和人们的日 常生活。在众多的测温系统中, 测温元件常常选用热 敏电阻、半导体测温二极管以及集成模拟温度传感器 ( 如 AD590) 等器件, 因其互换性差、温漂和非线性误 差较大, 整个测温系统的测量误差也随之增大; 同时, 由于中间环节较多, 系统抗干扰性能往往也不理想。 而用 MAX6577 作为温度传感器可在保证测温准确度 的前提下, 简化设计, 降低成本。FPGA, 即现场可编程 门阵列, 具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以 及适用范围宽等特点。与门阵列等其它 ASIC 相比, 它 又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具 先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线 检验等优点, 因此被广泛应用于产品的原型设计和产 品生产之中。

计数器的计数值小于设定值时输出高电平, 当计数值 大于设定值时输出低电平。采用数字比较器不必外接 D\\A 转换器和模拟比较器。FPGA 外部连线减少, 电路 更简单。其主要由三部分组成: PWM 脉宽调制信号产 生模块, 工作控制模块, 有功率放大电路和 H 桥组成 的功率驱动电路。

图 1 PWM 信号产生的框图

1. 基本原理

1.1 PWM( 脉冲宽度调制 Pulse Width Modula- tion) 原理

脉宽调制, 是利用微处理器的数字输出来对模拟 电路进行控制的一种技术, 广泛应用在测量、通信和 功率控制与变换等领域。

脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形 脉冲构成, 其占空比与信号的瞬时采样值成比例。该 系统有一个比较器和一个周期为 Ts 的锯齿波发生器 组成。语音信号如果大于锯齿波信号, 比较器输出正 常数 A, 否则输出 0。因此, 比较器输出一列下降沿调 制的脉冲宽度调制波。在 FPGA 中用数字比较器代替 模拟比较器, 数字比较器的一端接设定值计数器输 出, 另一端接递增( 锯齿波) 的计数器的输出, 当线性

在 FPGA 内部, 产生 PWM 信号的过程如图 1。 1.2 MAX6577 测温原理

MAX6577 是 MAXIM 公司推出的低成本、微功耗 新型数字温度传感器。其主要特点如下:

1、可实现温度 / 频率变换, 频率正比于绝对温度; 2、采用单引脚频率输出, 只占用一个 I /0 口;

3、测温范围为- 40—+125℃;

4、典型误差为土 0.8℃, 最大为±4.5℃; 5、不用外接其它元件; 6、电源电压为 2.7V- 5.5V;

7、典型电源电流为 1401μA; 8、采用小型 6 脚 SOT23 封装。

通电源后, MAX6577 即可处于自发工作状态, 输 出占空比为 1:1 的方波, 但方波的频率受环境温度的

调制, 具体表达式为:

f T= - 273.15K K

作者简介: 伍建军( 1979- ) , 男, 浙江台州人, 中国地质大学( 武汉) 研究生院 2005 级硕士研究生, 研究方向为嵌入式系统设计。

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其中, T 为环境温度(℃); f 为输出频率(HZ); K 为 输出系数(K /Hz); K 为开氏温度。输出系数 k 由引脚 TSl、TS0 接 VDD 或 GND 设定, MAX6577 的频率输出 为推挽输出, 在 5V 电源情况下, 该输出符合 TIL 电平 标准, 可直接与 FPGA 芯片管脚连接。MAX6577 作为 温度传感器可在保证测温准确度的前提下, 简化设 计, 降低成本。

2. 系统硬件电路设计 统的硬件电路主要包括五部分: FPGA 电路设计, 液晶显示驱动电路设计, 温度传感器电路设计, 转速 信号处理电路设计, 直流电机驱动电路设计, 如图 2 所示。

结合上述原理, 设计了直流电机驱动电路如图 4:

图 2 硬件整体框图

图 4 PWM 驱动电路图

2.1 FPGA 电路设计

本 系 统 采 用 Altera 公 司 的 EP1C3T144C8 芯 片 。 Altera 的 FPGA 器 件 采 用 钢 铝 布 线 的 先 进 CMOS 技

该电路是 H 桥驱动电路演化的 PWM 脉宽调制

的直流电机功率驱动电路。直流电机驱动电路使用最 广泛的就是 H 型全桥式电路, 这种驱动电路可以很方 便实现直流电机的四象限运行, 分别对应正转、正转 制动、反转、反转制动。

PWM 驱动电路图中 MOTOR A 和 MOTOR B 分

术, 具有非常低的功耗和相当高的速度, 而且采用连 别接直流电机的两端; MOTORP 接驱动电压; DCMO- 续 式 互 连 结 构 , 提 供 快 速 、 连 续 的 信 号 延 时 。 TORA 接经 FPGA 脉宽调制后的脉冲信号, 经 Q4 放 EP1C3T144 是 Cyclone 系列中的一员, 共有 2910 逻 大后, 使 Q2、Q6 导通, DCMOTORB 接低电平, Q3、Q5、 辑单元, 59904RAM bits, 1 个 PLLs, 最多有 104 个用 Q7 关断, 这样等于给直流电机两端加正向电压, 实现 户 I /O, 资源非常丰富, 能满足本系统设计的需要。 电机的正转。送到 DCMOTORA 脉冲信号的占空比不

2.2 直流电机驱动电路设计 同, 即高电平持续时间的不同, 三极管导通的时间也 全桥式驱动电路的 4 只开关管都工作在斩波状 不同, 这样就可以实现直流电机转速的调整。 态, S1、S2 为一组, S3、S4 为另一组, 两组的状态互补, 2.3 温度测量电路设计 一组导通则另一组必须关断。当 S1、S2 导通时, S3、S4 由 MAX6577 芯片结构可知, 将管脚 TS0 接高电 关断, 电机两端加正向电压, 可以实现电机的正转或 平, TS1 接地时, 公式 T=f /k- 273.15K 中 K 等于 1, 所 反转制动; 当 S3、S4 导通时, S1、S2 关断, 电机两端为 以此时输出温度 T=F- 273.15, 温度与频率成正比。只 反向电压, 电机反转或正转制动。4 个续流二极管用 要在设定内的时间测量出传感器输出的频率, 就可以

于消除电击所产生的反向电动势, 避免该反向电动势 反向击穿晶体管。它的基本原理图如图 3 所示。

计算出相应的温度值。温度频率管脚的输出符合 TIL 电平标准, 可直接与 FPGA 芯片管脚连接。芯片电源 供电大小为 5.0 伏。

2.4 转速信号处理电路的设计

该电路从 DCMotorSpeed 端接收转速传感器的具 有干扰信号的脉冲信号, 通过 Q8 三极管的信号放大 后, 用两个施密特触发器进行波形整形后送出规则的 方波, 以满足 FPGA 的转速接收测量。测速传感器采 用霍尔传感器。霍尔转速传感器采用霍尔效应, 当金 属齿经过霍尔传感器前端时, 引起磁场变化, 霍尔元 件检测到磁场变化, 并转换成一个交变电信号, 再通 过转速信号处理电路对该信号进行放大、整形, 输出 良好的矩形脉冲信号。

图 3 H 桥驱动电路图

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图 7 温控模块结构框图

图 5 转速信号处理电路图

2.5 LCD 显示电路的设计

本系统使用 1602 字符型液晶显示屏。

液晶模块内带标准字库, 内部的字符发生存储器 ( CGROM) 已经存储了 192 个 5×7 点阵字符, 32 个 5× 10 点阵字符。另外还有字符生成 RAM( CGRAM) 512 字节, 供用户自定义字符。这些字符有: 阿拉伯数字、 英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等, 每一 个字符都有一个固定的代码, 比如大写的英文字母 “A”的 代 码 是 01000001B( 41H) , 显 示 时 模 块 把 地 址 41H 中的点阵字符图形显示出来, 我们就能看到字母 “A”。1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指 令, 它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令 编程来实现的。

各端口定义如下:

CLK: 标准输入时钟 1HZ, 每两个时钟周期进行 一次频率测量。

RST: 全局复位信号。由外部按键产生。

C_EN: 频率计数器使能信号, 是一个 1 秒脉宽的 周期信号, 在上升沿时刻使能频率计数器开始对输入 信号的频率测量。

C_CLR: 计数器清零信号, 每次测量前对计数模

块复位, 清零前次测量结果。

LOAD: 使能温度寄存器锁存数据。 软件编译和仿真后得到的波形如下图: 图 8 温控模块波形图

由频率测量的基本原理及上图可知, 一个脉宽为

1 秒的计数使能信号作为待测信号, 输入频率相同的 允许计数的控制信号。一秒计数后, 产生一个计数值 锁存的锁存信号, 随后再产生一个计数复位信号, 为 下一个测频计数周期做准备。

3. 系统软件仿真与实现

FPGA 是整个系统的核心, 主要实现在一定时间

内对温度传感器的频率脉冲信号进行计数, 并且转化 为相应的温度值显示在液晶显示屏上, 并控制产生不 同占空比的脉冲信号输出。同时控制直流电机转速的 变化, 对转速传感器在规定时间内产生的脉冲信号进 行计数, 转化为相应的转速值显示在液晶显示屏上。

3.2 PWM 输出模块的设计

该模块的主要作用是根据温度值的高位来判断 输出不同占空比的脉冲信号。共有十种不同的占空比 设定, 即可以产生十级变速。不同的占空比输出, 直流 电机的转速也不同。

结构框图如下:

该系统由八个模块组成图 6 整体结构框图, 分别是 : 1、分频模块; 2、 图 9 PWM 输出寄存模块结构框图 温度测量控制模块; 3、温度计数模块; 4、温度寄存模 块; 5、转速测量模块; 6、转速寄存模块; 7, PWM 输出 各端口定义如下: 模块; 8、LCD 显示驱动模块。笔者在 QuartusII 软件上 CLK: 标准输入时钟 1HZ, 每两个时钟周期进行 分别进行了仿真与实现, 由于篇幅有限, 只选取三个 一次频率测量。 重要模块进行阐述。 RST: 全局复位信号。由外部按键产生。

3.1 温度测量控制模块

该模块主要作用是产生测温所需要的各种控制 信号, 为单位时间内测量温度做准备。

结构框图如下:

SC: 转速控制信号输入, 由温度寄存器 T_OUT2

输入。

PW1: 经调制后的脉冲输出。 PW2: 经调制后的脉冲输出。

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软件编译和仿真后得到的波形如下图:

图 10 PWM 输出寄存模块波形图

SC=0011 ( 3) 时, PW1 以 30%占空比输出。SC= 1000( 8) 时, PW1 以 80%占空比输出。PW2 始终输出 低电平, 保证电机的正转使温度降温。

3.3 转速测量模块的设计 模块的主要作用是测量直流电机的转速。通过标 准时钟 CLKS 计算在一分钟内转速传感器输入脉冲 信号的个数, 计算得出直流电机的转速, 采用三个异 步 BCD 码十进制计数器来实现 0—999 范围的计数。 结构框图如下:

图 11 转速测量模块结构框图

图 12 转速测量模块波形图

仿真的周期设定 Clks=10ns,s_pul=6ns。一个 60 秒计 数周期后, sout=60H10=6I100。

4. 结束语

采用集成温度传感器 MAX6577 作为温度检测元 件, 以 PWM 脉宽调制方式控制直流电机的转速来降 温, 实现了一种温度测量仪和 PWM 风冷系统, 测温范 围控制在 0℃～100℃范围之内,分辨率为 1℃,测温时间 为 1 秒。整个电路采用 FPGA 芯片进行系统设计和实 现,利用 FPGA 的高集成度和高可靠性, 实现了温度的 测量和降温处理, 能够方便地应用在日常生活中的不 同场合。因此,该系统具有一定的推广和应用价值。

各端口定义如下:

CLKS: 标准输入时钟 1HZ, 由全局时钟经分频后 得到。

C- EN: 异步 BCD 码十进制计数器的全局使能信 号, 控制计数器的工作情况。

RST: 异步 BCD 码十进制计数器的复位清零信 号, 为下一分钟转速计数准备。

S_PUL: 转速脉冲信号的输入, 由转速传感器产 生, 上升沿有效。

SOUT1, SOUT2, SOUT3: 转速计数值个位, 十位, 百位输出, 采用 BCD 码输出, 经寄存器的译码处理后 送给液晶显示屏。

LOAD: 使能转速寄存器锁存数据。

参 考 文 献

[1] 常晓明. Verilog- HDL 工程实践入门[M]. 北京: 北京航空航

天大学出版社, 2005.

[2] 褚振勇, FPGA 设计及应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出

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[3] 谷数忠, Protel DXP 实用教程——原理图与 PCB 设计[M],

北京: 电子工业出版社, 2003. [4] 王冠, Verilog- HDL 与数字电路设计[M]. 北京: 机械工业出

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[5] 潘勇, 基于 FPGA 的直流电机脉宽调制控制[J]. 广西科学院

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[7] MAXIM,MAX6577Temperratur Sensors data enchiridion 2000. [8] Altera,Cyclone Device Handbook (All Sections).

Design of Temperature Measurement and the PWM Air Cooling System Based on FPGA

WU Jian- jun, YANG Ying, HUANG Wei

(Graduate School, China University of Geosciences, Wuhan ,430074, China)

Abstr act: The paper introduces a temperature measuring apparatus and the PWM forced - air cooling system based on FPGA (Field Programmable Gate Array ). Adopting integration temperature sensor MAX6577 as temperature checking organ, and using PWM (Pulse Width Modulation) controlling rotation speed of the DC motor to lower the temperature. The measuring range being 0℃～100℃, the resolving power 1℃, the time for measuring 1 second, the design and implement of the whole circuitry adopts the FPGA chip of Cyclone series from Altera Company, which can measure and lower temperature conveniently. Key wor ds: FPGAn PWMn DC motorn temperature measure

指导教师 王广君 责任编辑 于 颖

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