202.房間電器綜合控制系統(tǒng)

1、房間電器綜合控制系統(tǒng)control system of the electrisic in the room摘 要本設(shè)計(jì)的目的是尋找一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)多種電器的綜合控制，采用了單片機(jī)與紅外遙控相結(jié)合的方式，制作出一種房間電器綜合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心由at89s52單片機(jī)和紅外收發(fā)裝置構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分以at89s52單片機(jī)為中心控制芯片，外圍擴(kuò)展了矩陣鍵盤，紅外發(fā)射電路以及電源電路；接收部分則以at89s52單片機(jī)為核心，外圍擴(kuò)展了紅外接收電路，按鍵顯示電路，電源電路以及與按鍵相應(yīng)的繼電器控制家用電器電路。紅外信號(hào)的發(fā)射采用脈沖個(gè)數(shù)編碼的方式，根據(jù)不同的按鍵設(shè)定不

2、同的編碼，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)解碼，從而控制相應(yīng)電器的開和關(guān)。通過(guò)硬件和軟件相結(jié)合的方式，此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了手持遙控器，按下一個(gè)按鍵，相應(yīng)的電器接通電源開始工作，并顯示按鍵號(hào)碼，再按一下，該電器切斷電源停止工作。此設(shè)計(jì)具有操作碼個(gè)數(shù)可隨意設(shè)定，編程靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；紅外；編碼解碼目 錄1 引言11.1智能家居的發(fā)展11.2微處理器的功能及其應(yīng)用11.3通信技術(shù)的發(fā)展及其前景12 系統(tǒng)原理和部分方案比較32.1系統(tǒng)原理綜述32.2課題總體要求52.3 系統(tǒng)各部分方案比較62.3.1控制方式比較62.3.2 信號(hào)處理方案72.3.3 微處理器的選擇83 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案93.1 系統(tǒng)工作原理流程9

3、3.2 系統(tǒng)主控制器選擇 123.2.1 單片機(jī)（mcu）概述123.2.2 mcu芯片簡(jiǎn)介及器件選擇143.2.3 at89s52簡(jiǎn)單介紹說(shuō)明153.3 信號(hào)的發(fā)射接收電路93.3.1 紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)93.3.2 紅外接收電路設(shè)計(jì)93.4 遙控鍵盤電路103.4.1 按鍵安裝方法93.4.2 矩陣掃描93.4.3 健功能93.5數(shù)碼顯示電路103.5.1 驅(qū)動(dòng)電路93.5.2 數(shù)字顯示電路93.6 繼電器控制家電輸出電路93.6.1 繼電器原理93.6.2 控制電路94 程序控制114.1系統(tǒng)軟件介紹114.2總程序流程114.3程序114.4系統(tǒng)整體電路圖115 開發(fā)環(huán)境及程序下載35.

4、1 開發(fā)環(huán)境35.2 程序下載55.2.1系統(tǒng)下載65.2.2 外加軟件下載76 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)記錄96.1 軟件測(cè)試96.1.1 功能仿真126.2.2 146.2 硬件測(cè)試及仿真 126.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄 127 課題相關(guān)技術(shù)發(fā)展前景3結(jié) 論12參考文獻(xiàn)13附錄1： 程序14附錄2： 系統(tǒng)電路圖14附錄3： 系統(tǒng)pcb圖14致 謝15 1 引言當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，也是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會(huì)。而數(shù)字集成電路本身也在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代，不斷的進(jìn)步創(chuàng)新。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路，發(fā)展到超大規(guī)模集成電路（vlsic，幾萬(wàn)門以上）以及具有許多特定功能的專用集成電路（asic

5、）。并且在現(xiàn)代高新電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，數(shù)字集成電路技術(shù)和現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)是相互促進(jìn)、相互推動(dòng)又相互制約的兩個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。前者的進(jìn)步就表現(xiàn)在大規(guī)模集成電路加工技術(shù)，即半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展上；而后者的核心則是eda（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)，它使得設(shè)計(jì)者的工作僅限于軟件的方式，即利用硬件描述語(yǔ)言（本文只涉及到vhdl硬件描述語(yǔ)言）和eda軟件來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)，避免了硬件電路在搭接時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題。1.1 asic技術(shù)促使可編程邏輯器件發(fā)展隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已經(jīng)不再由某個(gè)大規(guī)模的生產(chǎn)廠商來(lái)獨(dú)自承擔(dān)了，更甚至于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們都愿意自己設(shè)計(jì)專用集成電路（asic）芯片，而

6、且希望asic的設(shè)計(jì)周期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的asic芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中。也就是這種現(xiàn)場(chǎng)可用的思想促成了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（fpld）的出現(xiàn)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（fpga）和復(fù)雜可編程邏輯器件（cpld）了。對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在以前的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，設(shè)計(jì)某個(gè)電子控制系統(tǒng)大多數(shù)情況下是用指令少、功能單一的單片機(jī)，但是用其開發(fā)出來(lái)的硬件系統(tǒng)及其電路結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜、成本高、經(jīng)常容易發(fā)生電路方面的故障，并且由于系統(tǒng)是針對(duì)某一個(gè)特定的功能而設(shè)計(jì)的，對(duì)今后系統(tǒng)的升級(jí)和功能擴(kuò)展都非常困難。顯然這樣的單片機(jī)在某種程度上已經(jīng)不能再滿足設(shè)計(jì)要求了。而cpld（

7、或fpga）芯片作為一種新興的設(shè)計(jì)器件，在技術(shù)上與單片機(jī)相比有很多優(yōu)勢(shì)，光說(shuō)其實(shí)現(xiàn)的工藝就有反熔絲技術(shù)、eprom技術(shù)和eeprom技術(shù)等。實(shí)現(xiàn)了電可擦除、電可改寫和紫外線擦除，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的靈活性。這些pld器件的一個(gè)共同特點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，可見用這種cpld芯片進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，只需要增加少量的外圍電路，并結(jié)合可控制它的豐富的指令集合，就可以獲得功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。又由于這種芯片內(nèi)含有可下載程序固定接口和eeprom、flash。因此，開發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)具有可升級(jí)性(內(nèi)部程序可擦除，進(jìn)行重新燒寫)，用戶可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，既

8、可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，又可以減少開資。利用eda技術(shù)（cpld/fpga）進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，是完成專用集成電路asic的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，而在電子科技高速發(fā)展的當(dāng)今，再加上上述cpld/fpga（復(fù)雜可編程邏輯器件/現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的各種優(yōu)點(diǎn)，它以成為實(shí)現(xiàn)這一途徑的主流器件。其特點(diǎn)是直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測(cè)試和實(shí)現(xiàn)快捷，開發(fā)效率高，成本低，上市時(shí)間短，技術(shù)維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性能好。例如altera公司最新生產(chǎn)的maxii系列pld ，這是一種基于fpga（lut）結(jié)構(gòu)，集成配置芯片的pld，在本質(zhì)上它就是一種在內(nèi)部集成了配置芯片的fpga，但由于配置時(shí)間極

9、短，上電就可以工作，所以對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，感覺不到配置過(guò)程，可以與傳統(tǒng)的pld一樣使用，加上容量和傳統(tǒng)pld類似，所以altera公司把它歸作pld。 還有像lattice公司的xp系列fpga，也是使用了同樣的原理，將外部配置芯片集成到內(nèi)部，在使用方法上和pld類似，但是因?yàn)槿萘看?，性能和傳統(tǒng)與fpga相同，也是lut架構(gòu)，所以lattice仍把它歸為fpga之列。總之，由于以上的各種突出優(yōu)點(diǎn)，cpld或fpga芯片已成為大多數(shù)電子設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行電子設(shè)計(jì)的首選器件。1.2 cpld（fpga）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制把以cpld（或fpga）芯片為核心，作為主控制器開發(fā)出來(lái)的各種測(cè)量及控制系統(tǒng)，作為家用電子產(chǎn)

10、品的一個(gè)組成部分嵌入某個(gè)系統(tǒng)中，使其更具智能化、擁有更多功能，便于人們操作和使用，從而更具時(shí)代感，這也是家用電子產(chǎn)品的發(fā)展方向和趨勢(shì)所在。有的家用電器領(lǐng)域要求增加顯示、報(bào)警和自動(dòng)診斷等功能。這就要求我們生產(chǎn)的產(chǎn)品具有自動(dòng)控制系統(tǒng)。而所謂的自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)主要是由計(jì)算機(jī)來(lái)完成的，可用的方法主要有兩種：離線控制和在線控制。離線控制包括利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)總體的分析、設(shè)計(jì)、仿真及建模等工作；在線控制就是以計(jì)算機(jī)代替常規(guī)的模擬或數(shù)字控制電路，使控制系統(tǒng)“軟化”，讓計(jì)算機(jī)位于其中，并成為控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。這類控制由于需要有像計(jì)算機(jī)一樣的智能控制系統(tǒng)身處其中，因此對(duì)控制

11、系統(tǒng)有體積小、功耗低、價(jià)格低廉以及控制功能強(qiáng)大等要求，而為了滿足這些要求，就應(yīng)當(dāng)使用可編程邏輯器件的具體芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如：本文所研究的課題就是利用cpld器件（ep1k100qc208-3）為主控芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能的。然而，由于cpld與控制對(duì)象聯(lián)系密切，所以設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，不但對(duì)cpld芯片的性能要求高，而且對(duì)設(shè)計(jì)者的要求也很高。他們不但要熟練掌握cpld知識(shí)，而且還要了解控制對(duì)象，懂得傳感器技術(shù)，具有一定的控制理論知識(shí)等。還拿本文所研究的課題為例，除了利用cpld具體芯片外，還用到了傳感器，a/d轉(zhuǎn)換器以及放大顯示電路等，才實(shí)現(xiàn)完成了系統(tǒng)總體功能檢測(cè)室溫顯示，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警。2 系統(tǒng)原理

12、和部分方案比較一個(gè)完整的系統(tǒng)，必須經(jīng)過(guò)系統(tǒng)整體原理分析和各部分的方案比較，選擇最佳最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)方法，才能完美而立于不敗之地。2.1 系統(tǒng)原理概述當(dāng)今社會(huì)，隨著現(xiàn)代測(cè)量、控制和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，信息采集的方法越來(lái)越多，而在所有信息的采集途徑中，用的最普遍、最基礎(chǔ)的，就是傳感器。如果把電子計(jì)算機(jī)比作人的“大腦”,那么傳感器則酷似人的“五官”（視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺）了。其重要性則可一目了然，不過(guò)對(duì)傳感器的要求可要比人的五官的要求高得多，并且傳感器的種類也在日益增多，涉及到的范圍也日益變廣。如ad公司生產(chǎn)的模擬電壓輸出型的溫度傳感器tmp35/36/37，它主要應(yīng)用于環(huán)境控制系統(tǒng)、過(guò)熱保護(hù)、工業(yè)

13、過(guò)程控制、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電源系統(tǒng)監(jiān)控以及儀器散熱風(fēng)扇的控制等。還有national semiconductor生產(chǎn)的與微處理器相結(jié)合的測(cè)溫及溫度控制、管理的溫度測(cè)量控制器lm80，它主要應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)及服務(wù)器的硬件及系統(tǒng)的溫度監(jiān)控、辦公室設(shè)備、電子測(cè)試設(shè)備等。以及maxin公司生產(chǎn)的主要應(yīng)用于cpu冷卻控制的pwm風(fēng)扇控制器及遙控溫度傳感器max1669。因此，測(cè)量外界溫度的方法有很多種，然而，由于熱敏電阻及其放大電路受到環(huán)境的影響，在不同的條件下會(huì)出現(xiàn)不同的測(cè)溫偏差，而tmp35/36/37，lm80，max1669這些傳感器的造價(jià)又太高，在相同條件下，由于測(cè)溫精度、處理精度等多方面的因素

14、，不同的通道也會(huì)出現(xiàn)不同的偏差，因此必須采用一種靈活的修正方式，這便用到了電壓型的溫度傳感器lm35d。它的線性好（10mv/），寬量程（0-100），精度高（+0.4 ），低成本，而且采集到的是電壓型信號(hào)，易于處理，使得電路簡(jiǎn)單實(shí)用3。如上所述，本課題的設(shè)計(jì)就是利用溫度傳感器lm35d來(lái)采集溫度信號(hào)的，隨后將采集到的微弱模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器op07放大十倍后送入a/d轉(zhuǎn)換器（adc0804），將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再傳給cpld芯片（這里用到的型號(hào)是ep1k100qc208-3），即該系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（vhdl）編程進(jìn)行信號(hào)處理，然后經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置好的端口將數(shù)字信號(hào)傳送給74

15、ls138譯碼器以及驅(qū)動(dòng)器cd4511和報(bào)警器，使led八段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示室溫和實(shí)現(xiàn)報(bào)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，用該方法對(duì)0-100范圍的溫度測(cè)量時(shí)，測(cè)量誤差為+0.4，可靠性好、抗干擾性能強(qiáng)。采用cpld芯片作為核心監(jiān)控器對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè)量，這樣，既可以降低對(duì)溫度傳感器和放大電路的要求，從而降低成本，又可以針對(duì)不同外部環(huán)境或不同通道對(duì)溫度顯示的顯示監(jiān)控設(shè)定進(jìn)行靈活修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)。2.2 課題總體要求(1) 利用電壓型溫度傳感器lm35d作為信息采集器件采集室溫并產(chǎn)生10mv/的電壓信號(hào)；(2) 利用op07放大器將微弱的電壓信號(hào)放大預(yù)先設(shè)置好的倍數(shù)，以驅(qū)動(dòng)后面電路；(3) 利用a/d轉(zhuǎn)換器將放大

16、后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供系統(tǒng)處理；(4) 將數(shù)字信號(hào)送入cpld芯片進(jìn)行處理；(5) 時(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)換后的室溫，進(jìn)行監(jiān)控；(6) 溫度超過(guò)警戒溫度時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。2.3 系統(tǒng)各部分方案比較2.3.1 信號(hào)采集方案比較在目前，信號(hào)采集有多種方法，而可用于本系統(tǒng)的溫度的信號(hào)采集大致有三種方法，下面分別介紹各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，討論它們的可行性。 方案一：采用熱敏電阻采集室內(nèi)溫度信號(hào)。用此方法可滿足40-90的測(cè)量范圍，但熱敏電阻的精度、重復(fù)性及其可靠性都比較差，并且對(duì)于檢測(cè)小于1的溫度信號(hào)時(shí)，誤差大、不可靠，所以此方法不可取。方案二：利用電流型溫度傳感器ad590采集室內(nèi)溫度信號(hào)。ad590具有較高精

17、度和重復(fù)性（重復(fù)性優(yōu)于0.1），其良好的非線性可以保證優(yōu)于+0.2的測(cè)量精度，利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn)，通過(guò)非線性補(bǔ)償，可以達(dá)到+0.2測(cè)量精度。電流型溫度傳感器ad590是二端器件，它采用了一種獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)，利用最新的薄膜激光微調(diào)技術(shù)作最后的定標(biāo)，因而具有很高的精度。且其靈敏度為1ua/k，具有很寬的工作電源電壓范圍和很高的輸入阻抗。作為一種高阻電流源，我們不需要考慮其傳輸線上的電壓信號(hào)損失和噪聲干擾的問(wèn)題，因此特別適合做遠(yuǎn)距離測(cè)量或控制應(yīng)用。出于同樣的道理，ad590也特別適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，而不必考慮選擇開關(guān)或cmos多路轉(zhuǎn)換開關(guān)所引入的附加電阻造成的誤差。但是，由于ad590采集到

18、的信號(hào)是電流信號(hào)，所以在將數(shù)據(jù)傳給adc0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前，必須先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，在此期間不但造成了一定的信號(hào)損失，又影響了精度，這就要求我們?cè)赼/d轉(zhuǎn)換器前設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)保持電路。這樣一來(lái)，用ad590來(lái)檢測(cè)、采集室溫的電路就顯得很復(fù)雜。而且，在高精度測(cè)溫電路中，還必須考慮ad590的輸出電流不被分流影響，因此也放棄使用本方案。方案三：采用電壓型溫度傳感器lm35d采集溫度信號(hào)。lm35d是精密集成電路溫度傳感器，它的輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，比例關(guān)系是10mv/。并且，lm35d無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào)來(lái)提供±0.4的常用的室溫精度，就把信號(hào)損失減少到了最小。而又因?yàn)樗?/p>

19、的線性性極好，所以編程時(shí)很容易實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于本課題來(lái)說(shuō)，選用此方案。2.3.2 模擬信號(hào)數(shù)字化處理方案 由于整個(gè)系統(tǒng)主要是處理數(shù)字信號(hào)而進(jìn)行工作的，所以當(dāng)由傳感器采集到模擬信號(hào)后，必須先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能夠使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行工作。而對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的選擇，本課題用的是adc0804，即系統(tǒng)采用adc0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為模擬信號(hào)數(shù)字化的器件，進(jìn)行數(shù)字化處理，為系統(tǒng)提供數(shù)字信號(hào)量的。2.3.3 信號(hào)處理方案本系統(tǒng)利用cpld芯片進(jìn)行信號(hào)處理。將經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入cpld芯片，進(jìn)而根據(jù)已經(jīng)編好的程序（程序見附錄）處理溫度的數(shù)字信息，進(jìn)一步時(shí)時(shí)顯示室內(nèi)溫度和報(bào)警，達(dá)到時(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。也

20、就是說(shuō)采用cpld芯片作為系統(tǒng)信號(hào)處理主控制器。2.3.4 顯示部分方案比較方案一：以前的電子工程師們進(jìn)行電子設(shè)計(jì)時(shí)，大部分都使用單片機(jī)通過(guò)串口通信線txd、rxd（p3.0、p3.1），再加移位寄存器74ls164來(lái)實(shí)現(xiàn)led的顯示功能，如圖2-1所示。這樣一來(lái)，使得每一個(gè)led數(shù)碼管都需要一片74ls164，使得電路比較麻煩，并且與單片機(jī)接口的編程程序不易實(shí)現(xiàn)，所以本課題放棄使用次方案。ledled74ls16474ls164 rxdtxd圖2-1 通過(guò)串口通信線txo 、rxd實(shí)現(xiàn)led顯示功能方案二：近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有許多基于串行總線方式的led顯示器接口芯片不斷出現(xiàn)，這些芯片與另一種功

21、能更強(qiáng)、速度更快的控制芯片連接，可實(shí)現(xiàn)以往單片機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的多種功能，并且具有占用i/o口線少，進(jìn)行功能擴(kuò)展方便，使用起來(lái)十分容易等特點(diǎn)，這就是用eda技術(shù)來(lái)開發(fā)的cpld芯片，因此本系統(tǒng)選用此方案。在選用cpld芯片后，再選用3個(gè)共陰極的8段數(shù)碼顯示管（tod5201ae）來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，用cpld已經(jīng)編好的程序來(lái)驅(qū)動(dòng)一片cd4511和一片74ls138就可以控制段碼和位選，以實(shí)現(xiàn)溫度顯示的功能。2.3.5 系統(tǒng)報(bào)警方案設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)開始時(shí)，想要的系統(tǒng)功能之一，是想讓在室溫達(dá)到并超過(guò)警戒溫度時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警，給人以提示。在此，可用一個(gè)風(fēng)鳴器和一個(gè)三極管放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。具體的電路分析，詳述

22、見下文中。3 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)方案3.1 系統(tǒng)工作原理流程根據(jù)課題設(shè)計(jì)要求可知，該系統(tǒng)需要利用電壓型溫度傳感器采集室內(nèi)溫度，產(chǎn)生10mv/的電壓信號(hào)，隨后，將該信號(hào)送入放大器進(jìn)行放大，再把此放大后的信號(hào)送給a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后由cpld芯片編程處理，即通過(guò)cpld芯片編程設(shè)定上下限報(bào)警溫度，并顯示轉(zhuǎn)換后的室溫。具體流程圖如圖3-1所示。cpu控制電路a/d轉(zhuǎn)換電路放大電路傳感器控制電路譯碼驅(qū)動(dòng)電路顯示電路報(bào)警電路 圖3-1 系統(tǒng)流程圖在溫度信號(hào)采集電路中采用方案三，使用線性成比例（10mv/）的電壓型溫度傳感器采集信號(hào)，之后，將微弱電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)整個(gè)硬件與軟件系統(tǒng)放大100倍后的電壓信

23、號(hào)使其顯示就是室溫。首先，使采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大十倍后送入a/d轉(zhuǎn)換器（adc0804）。在此，將adc0804的基準(zhǔn)電壓設(shè)為2.5v，由于它為8位轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部轉(zhuǎn)換關(guān)系將輸入信號(hào)擴(kuò)大50倍后，才將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。之后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳給cpld芯片（ep1k100qc208-3），通過(guò)vhdl編程將擴(kuò)大了500倍的信號(hào)縮小5倍，即可將輸入的微弱電壓信號(hào)最終放大100倍，現(xiàn)在的電壓值便是室溫值。然后經(jīng)過(guò)設(shè)置的i/o口將數(shù)字信號(hào)傳送給74ls138譯碼器以及驅(qū)動(dòng)器cd4511和報(bào)警器，使led八段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示室溫和實(shí)現(xiàn)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。3.2 傳感器及放

24、大電路3.2.1 電壓型溫度傳感器lm35d如圖3-2所示，是一般傳感器的工作原理方框圖。敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量電路輔助電源非電量電量 圖3-2 傳感器原理框圖本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所用的傳感器為lm35d，它是lm35系列的一種，是精密集成電路溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度線性成比例（10.0mv/），如圖3-3所示其關(guān)系3。 u(v) 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 t()圖3-3 傳感器溫度電壓關(guān)系曲線因而lm35系列有優(yōu)于用開爾文作為標(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器，在額定工作溫度范圍內(nèi)精度為±3/4。其密封適合用to-46晶體管封裝，也適合用塑料to-92晶體管封裝。其特性如下：

25、(1) 直接用攝氏溫度校準(zhǔn)，線性+10.0mv/比例因數(shù)；(2) 在-55+150額定范圍內(nèi)保證0.5精度（在+25時(shí)）；(3) 適用于遙控設(shè)備，因晶體片微調(diào)而低費(fèi)用；(4) 工作在430v，小于60a漏泄電流，有較低自熱，在靜止空氣中0.08；(5) 只有±1/4非線性值，低阻抗輸出，1ma負(fù)載時(shí)0.1。 lm35系列中的lm35d的工作電壓為4v20v，故可直接用溫控電路的電源，但要加一個(gè)隔離二極管及平滑電容c。lm35d測(cè)溫范圍0100，輸出電壓直接與攝氏溫度成比例，靈敏度為10mv/。將其輸出電壓接2v直流電壓擋數(shù)字萬(wàn)用表，可讀出的分辨率為0.1的溫度讀數(shù)。例如：室內(nèi)溫度是2

26、8.7，那么其轉(zhuǎn)換關(guān)系是 28.7×10 mv/=287mv （3.1）則表上的讀數(shù)就為287mv，即反映室內(nèi)溫度：28.7。圖3-4 lm35d的引腳及封裝集成溫度傳感器lm35d是把測(cè)溫傳感器與放大電路做在一個(gè)硅片上，形成一個(gè)集成溫度傳感器，它的外形與封裝如下圖（見圖3-4）。圖3-4lm35d是一種輸出電壓與攝氏溫度成正比例的溫度傳感器，精度為±1。最大線性誤差為±0.5，靜態(tài)電流為80ua。該器件如塑封三極管（to-92）。該溫度傳感器最大的特點(diǎn)是使用時(shí)無(wú)需外圍元件，也無(wú)需調(diào)試和較正（標(biāo)定）。如下圖所示（圖3-5）是lm35d的典型測(cè)溫電路及其轉(zhuǎn)換電路的接

27、口電路。圖3-5 lm35d的典型測(cè)溫電路及與轉(zhuǎn)換電路接口 在圖3-5中，經(jīng)lm35d輸出端輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)了由75的電阻和1uf的電容構(gòu)成的積分濾波網(wǎng)絡(luò)，可濾除其他的雜質(zhì)信號(hào)，使采集到的與溫度成比例（10mv/）的電壓信號(hào)更加穩(wěn)定，之后再將溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器送給adc0804進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.2.2 放大電路設(shè)計(jì)圖3-6 系統(tǒng)的放大電路部分如圖3-6所示，為系統(tǒng)的放大電路部分，電壓型溫度傳感器lm35d采集到的室溫為很微弱的模擬量。例如：若室溫為26，那么經(jīng)lm35d采集后得到的電壓信號(hào)為0.26 v，這樣一個(gè)微弱的電壓信號(hào)，既不利于處理又容易產(chǎn)生誤差且不穩(wěn)定。所以我們需要將此信號(hào)在整個(gè)硬件系統(tǒng)和

28、軟件系統(tǒng)中放大100倍（如前所述），之后將其送入驅(qū)動(dòng)電路，即可在led數(shù)碼管上顯示室溫，達(dá)到目的。如圖所示，在放大電路中，取r6為1k是為了好計(jì)算放大倍數(shù)，r5用20k的滑動(dòng)變阻器使這個(gè)0.26 v的微弱電壓信號(hào)可以在0-20的放大倍數(shù)范圍內(nèi)可調(diào)，在此，將其放大10倍，因此需要將r5調(diào)至10k。這樣經(jīng)放大器op07放大后從第6腳輸出的電壓信號(hào)就為放大十倍的2.6v。這樣就足以驅(qū)動(dòng)后面的電路進(jìn)行工作，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。3.3 a/d轉(zhuǎn)換電路部分分析3.3.1 a/d轉(zhuǎn)換器隨著數(shù)字技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè)領(lǐng)域中，為提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理無(wú)不廣泛的采

29、用了數(shù)字計(jì)算機(jī)。但由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖象等），所以要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別和處理這些信號(hào)，首先就必須將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，這樣就需要一種能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器（a/d轉(zhuǎn)換器）。而為了將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間和幅值都離散的數(shù)字信號(hào)，一般要經(jīng)過(guò)四個(gè)過(guò)程5，如圖3-7所示。取 樣保 持量 化編 碼模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)圖3-7 模數(shù)轉(zhuǎn)換流程而在實(shí)際電路中，上述四個(gè)過(guò)程中有的是合并進(jìn)行的。例如，取樣和保持、量化和編碼，往往都是在轉(zhuǎn)化過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。具體介紹如下：(1) 取樣與保持取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散

30、的模擬量（這里要注意的是取樣以后信號(hào)依然是模擬量）。取樣的過(guò)程示意圖如圖3-8 所示。vo(t)vi(t)tgs(t)圖3-8 取樣過(guò)程圖中的傳輸門受取樣信號(hào)s（t）的控制，在s（t）的脈寬期間，傳輸門導(dǎo)通，輸出信號(hào)vo（t）為輸入信號(hào)vi(t)，即vo(t)=vi(t)，而在（ts）期間，傳輸門關(guān)閉，輸出信號(hào)vo（t）=0?？梢?，取樣就是在一個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)上采集一個(gè)模擬信號(hào)的具體值，而要將取樣得來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)得經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，所以有必要將取樣電路每次取得的信號(hào)通過(guò)保持電路保持一段時(shí)間，以便給后續(xù)的量化編碼提供一個(gè)穩(wěn)定值，即使用保持電路使整個(gè)系統(tǒng)更加協(xié)調(diào)穩(wěn)定。(2) 量化與編碼數(shù)字信

31、號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，在a/d轉(zhuǎn)化過(guò)程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱量化。量化后的數(shù)值最后還必須用某一個(gè)代碼表示出來(lái)，這個(gè)過(guò)程就叫做編碼。經(jīng)編碼得到的代碼就是a/d轉(zhuǎn)換器的最后輸出量，就是表示模擬信號(hào)大小的數(shù)字信號(hào)量。3.3.2 a/d轉(zhuǎn)換器的選擇近年來(lái)，a/d轉(zhuǎn)換器隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展而日新月異，各種性能優(yōu)異的a/d轉(zhuǎn)換器層出不窮。早期的a/d轉(zhuǎn)換器與cpu接口一般采用并行總線方式，現(xiàn)在一些采用i

32、2c、spi 總線的新型a/d轉(zhuǎn)換器相繼被國(guó)外一些公司推出，極大地豐富了a/d轉(zhuǎn)換器的種類。a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)前向通道中被測(cè)量對(duì)象的精度有關(guān)。一般情況下，由于客觀條件的影響，電路設(shè)計(jì)中a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率要高于被測(cè)量對(duì)象的信號(hào)最低分辨率。假如，我們要測(cè)量一組電源電壓，其電壓的輸出范圍是010v，如要求精確到0.1v，即分辨率為0.1/10=1%,那么在實(shí)際應(yīng)用中我們選擇分辨率為1/256=0.4%的8位a/d轉(zhuǎn)換器便可滿足要求。當(dāng)然，a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，分辨率也就越高，但是成本也就隨之愈高。因此在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中，選擇a/d轉(zhuǎn)換器也不能一味強(qiáng)調(diào)位數(shù)，應(yīng)該在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的前

33、提下，追求最高的性能價(jià)格比。目前，被廣泛使用的a/d轉(zhuǎn)換器種類很多，從接口協(xié)議上分為串行和并行兩種方式。串行接口的a/d轉(zhuǎn)換器占用較少的cpu外部i/o資源，主要采用的協(xié)議有spi和i2c等方式，程序設(shè)計(jì)較并行接口略顯繁瑣，典型的芯片有ti公司的tlc25431543等等。并行接口的a/d轉(zhuǎn)換器芯片目前仍占多數(shù)，流行的有adc0804、adc0809 、ad574等等。而本課題的設(shè)計(jì)使用的是adc0804來(lái)完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變的。下面就來(lái)介紹a/d 轉(zhuǎn)換芯片的硬件設(shè)計(jì)方法。3.3.3 a/d轉(zhuǎn)換電路圖3-9 a/d轉(zhuǎn)換電路如圖3-9 所示，是a/d轉(zhuǎn)換器adc0804的硬件設(shè)計(jì)電路，其中

34、adc0804是逐次逼近型8位8通道a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的主要技術(shù)指標(biāo)是：8位分辨率，±1/2lsb的轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換時(shí)間典型值為100us（時(shí)鐘頻率為640khz時(shí)），電源電壓為單電源5v。其引腳中db0db7為8位數(shù)字信號(hào)輸出端(即轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量)，vcc為電源端，gnd為接地端，vref為參考電壓輸入端，clk是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，第6腳接的是放大器送出的溫度信號(hào)量。 信號(hào)從adc0804的第6腳送入，r3與c3通過(guò)adc0804的19腳（clkr）接地與4腳（clk）向內(nèi)部電路提供時(shí)鐘信號(hào)，以給adc0804一個(gè)正確的時(shí)序，使其正確工作。如果從量程為0-100lm35d采集到最高溫

35、度100，那么由于lm35d靈敏度為10mv/以及經(jīng)過(guò)放大器op07后放大十倍，則傳到adc0804輸入腳vi+的電壓信號(hào)為10v，再經(jīng)過(guò)adc0804內(nèi)部的輸入電壓與基準(zhǔn)電壓的公式（如下）放大50倍(此50倍為數(shù)字量的50倍)： （ui/vref*2）*256 (3.2) 其中“*”符號(hào)表示乘的意思，ui表示為輸入電壓，即vi+，vref為adc0804內(nèi)部設(shè)定的基準(zhǔn)電壓（隨時(shí)可以更改）。如下圖（圖3-10）是a/d轉(zhuǎn)換過(guò)程： ve vx （1000）（0100）（0110）（0111） t 圖3-10 a/d轉(zhuǎn)換過(guò)程原理圖 在硬件設(shè)計(jì)中，我們將基準(zhǔn)電壓（vref）調(diào)至2.5v，將vi+=1

36、0v代入上公式則可得adc0804的輸出為10v電壓的256/550倍，將其送入電路的信息處理部分cpld芯片，再利用軟件的方法將結(jié)果除以5便可達(dá)到最終的放大目的，之后送入驅(qū)動(dòng)電路使其顯示出最大溫度為100。由于a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/256=0.4%，我們將最高溫度設(shè)為100的話，可得它的測(cè)量精度為100/256=0.4。那么如果將最高溫度設(shè)為50，我們可得它的溫度范圍為0-50，測(cè)量精度為50/256=0.2。為了提高精度，我們將最高報(bào)警溫度設(shè)為50。還如前面的例子，如果室溫為26，那么經(jīng)放大電路放大后傳到adc0804輸入角vi+的電壓信號(hào)為2.6v，將其代入上公式則可得adc0804

37、的輸出為2.6v電壓的256/550倍的二進(jìn)制數(shù)，將其送入系統(tǒng)的主控制器，我們?cè)倮密浖姆椒▽⒔Y(jié)果除以5便可得送入驅(qū)動(dòng)電路使其顯示出的溫度為26。在這個(gè)轉(zhuǎn)換電路中，adc0804起著兩個(gè)作用，一是將模擬量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字量，二是將此輸入信號(hào)在放大電路放大10倍后再放大50倍。adc0804由cpld芯片預(yù)設(shè)控制端啟動(dòng)，它與cpld的接口電路工作的流程圖如圖3-11所示。經(jīng)adc0804轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)通過(guò)db0-db7端口傳cpld芯片的預(yù)設(shè)輸入端，供后面編程控制，使其縮小5倍，然后顯示室溫。cs端為adc0804的片選信號(hào)端，低電平有效。、分別為寫、讀端，將其與cpld芯片的寫、讀

38、端相連。intr端為中斷口，當(dāng)其為高電平時(shí)表示轉(zhuǎn)換完成，之后，送中斷信號(hào)給單片機(jī)，等待cpld芯片發(fā)出信號(hào)接收轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。可見，在整個(gè)系統(tǒng)中，a/d轉(zhuǎn)換電路起著至關(guān)重要的作用。它的設(shè)計(jì)好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。通道、數(shù)據(jù)地址初始化啟動(dòng)adc0804cs=0？數(shù)據(jù)區(qū)地址加一8個(gè)通道采集結(jié)束讀a/d轉(zhuǎn)化結(jié)果到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)結(jié)束是是否否圖3-11 adc0804工作流程圖3.4 系統(tǒng)主控制器選擇3.4.1 cpld(fpga)概述集成電路的發(fā)展大大促進(jìn)了eda的發(fā)展，從而使電路設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的“自上而下”的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變?yōu)椤白韵露稀钡脑O(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)師們都希望自己設(shè)計(jì)的芯片能夠反映自己的思想，并且能

39、夠及時(shí)的投入生產(chǎn)使用，這都有益于可編程邏輯器件（pld）的出現(xiàn)?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的pld主要是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（fpga，field programmable gate array）和復(fù)雜可編程邏輯器件（cpld，complex programmable logic device）79。可編程邏輯器件（pld，programmable logic device）是asic的一個(gè)重要分支，其發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：(1) 20世紀(jì)70年代，熔絲編程的prom和pla器件是最早的可編程邏輯器件。(2) 20世紀(jì)70年代末，對(duì)pla進(jìn)行了改進(jìn)，amd公司推出pal器件。(3) 20世紀(jì)80年代

40、初，lattice公司發(fā)明電可擦寫的，比pal使用更靈活的gal器件。(4) 20世紀(jì)80年代中期，xilinx公司提出現(xiàn)場(chǎng)可編程概念，同時(shí)生產(chǎn)出世界上第一塊 fpga芯片，并且，altera公司推出epld器件，較之gal器件具有更高的集成度，可用電或紫外線擦除。(5) 20世紀(jì)80年代末，lattice公司又提出系統(tǒng)可編程技術(shù)，推出一系列具備系統(tǒng)可編 程能力的cpld器件，能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯功能。(6) 20世紀(jì)90年代，可編程邏輯集成電路技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，器件的可用邏輯門超過(guò)百萬(wàn)門，并出現(xiàn)了內(nèi)嵌發(fā)展功能模塊(如加法器、乘法器、ram、cpu核、dsp核、pll等)的sopc?？偟恼f(shuō)來(lái)

41、，pld器件是廠家作為一種通用型器件生產(chǎn)的半定制電路，用戶可通過(guò)對(duì)器件編程實(shí)現(xiàn)所需要的邏輯功能。并且它是一種用戶可配置的邏輯器件，其成本比較底，使用靈活，設(shè)計(jì)周期短，而且可靠性高，風(fēng)險(xiǎn)小，因而很快得到普及應(yīng)用，發(fā)展非成迅速。從20世紀(jì)70年代發(fā)展到現(xiàn)在，pld已經(jīng)在各個(gè)方面的工藝上取得了突破和不斷發(fā)展。經(jīng)歷了從prom、pla、pal、gal到cpld（fpga）、isplsi等高密度的pld發(fā)展過(guò)程。其中pal和gal都所于簡(jiǎn)單的pld，它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，對(duì)開發(fā)軟件的要求低，但是規(guī)模都很小，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，所以隨著技術(shù)的發(fā)展，種種弊端也暴露出來(lái)，因此，cpld等一系列的復(fù)雜pl

42、d迅速的發(fā)展起來(lái)，并向著高密度，高速度，低功耗以及結(jié)構(gòu)體系更靈活、通用范圍更廣的方向發(fā)展。復(fù)雜可編程邏輯器件（cpld，復(fù)雜pld。統(tǒng)稱將集成度達(dá)到一定程度的pld器件叫做cpld。），是20世紀(jì)80年代末lattice公司提出的在線可編程（isp，in system programmability）技術(shù)以后，于20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的。它是在epld的基礎(chǔ)上，采用e2cmos工藝制作發(fā)展起來(lái)的。與epld相比，它增加了內(nèi)部連線，對(duì)邏輯宏單元和i/o口都有重大的改進(jìn)。cpld至少包括三個(gè)部分：可編程邏輯宏單元，可編程i/o單元和可編程內(nèi)部連線。典型的器件有altera的max7000系列，xi

43、linx的7000和9500系列，lattice的plsi/isplsi系列和amd的mach系列。隨著數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能復(fù)雜化程度的不斷加大，集成芯片正朝著超大規(guī)模、高密度的方向發(fā)展。與此同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)超大規(guī)模的數(shù)字時(shí)序系統(tǒng)芯片在工作時(shí)從時(shí)間軸上來(lái)看，并不是每一瞬間系統(tǒng)的各個(gè)部分都在工作，而系統(tǒng)是各個(gè)局部模塊功能在時(shí)間鏈上的總成。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，基于sram編程的cpld/fpga可以在外部邏輯的控制下，通過(guò)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中不同的目標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重新下載，來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片邏輯功能的改變。正是基于這個(gè)稱之為靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的技術(shù)，有人設(shè)想利用芯片的這種分時(shí)復(fù)用特性，用較小規(guī)模的cpld（或fpga）芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)

44、更大規(guī)模的數(shù)字時(shí)序系統(tǒng)。在研究過(guò)程中人們卻發(fā)現(xiàn)常規(guī)的sram的cpld只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)。因?yàn)樵撔酒δ艿闹匦屡渲么蠹s需要數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒量級(jí)的時(shí)間；而在重新配置數(shù)據(jù)的過(guò)程中，舊的邏輯功能失去，新的邏輯功能尚未建立，電路邏輯在時(shí)間軸上斷裂，系統(tǒng)功能無(wú)法動(dòng)態(tài)連接。要實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，要求芯片功能的重新配置時(shí)間縮短到納秒量級(jí)，這就需要對(duì)cpld的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行革新。在早期的cpld中，由結(jié)構(gòu)相同的邏輯陣列組成宏單元模塊。對(duì)一個(gè)邏輯陣列單元來(lái)說(shuō)，輸入項(xiàng)由專用的輸入端和i/o端組成，來(lái)自i/o端口輸入項(xiàng)，可通過(guò)i/o結(jié)構(gòu)控制模塊的反饋選擇，也可以由i/o端直接輸入，也可以是本單元輸出的內(nèi)部反饋。

45、所有的輸出項(xiàng)都經(jīng)過(guò)緩沖器驅(qū)動(dòng)，并輸出其輸入的原碼及補(bǔ)碼?？梢钥闯?，早期cpld中的邏輯陣列結(jié)構(gòu)與pal、gal中的結(jié)構(gòu)極為類似，只是用eprom單元取代了pal中的熔絲和gal中的eeprom單元。和gal一樣，cpld可實(shí)現(xiàn)擦除和再編程功能。在基本結(jié)構(gòu)中，每個(gè)或門有8個(gè)固定乘積項(xiàng)，也就是說(shuō)邏輯陣列單元中的或門陣列是固定的、不可編程的，當(dāng)遇到復(fù)雜的組合邏輯時(shí)，需要的乘積項(xiàng)可能超過(guò)8個(gè)，這就要用兩個(gè)或多個(gè)邏輯單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，致使器件的利用率不高。為此，目前的cpld在邏輯陣列單元結(jié)構(gòu)方面做了很大的改進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1) 乘積項(xiàng)數(shù)目不同的邏輯陣列單元 對(duì)于復(fù)雜的邏輯器件來(lái)說(shuō)，邏輯函數(shù)往往

46、需要附加乘積項(xiàng)。以便利用其他宏單元以提供以提供所需的邏輯資源，還可以利用其結(jié)構(gòu)中具有的共享和并聯(lián)擴(kuò)展乘積項(xiàng)。達(dá)到盡可能的少占資源，并且盡可能的加快工作速度的目的。(2) 具有兩個(gè)或項(xiàng)輸出的邏輯陣列單元每個(gè)邏輯陣列單元可以共享相鄰單元中的乘積項(xiàng)，也可以使本單元中的兩個(gè)或項(xiàng)都可用于相鄰的兩個(gè)單元中，這樣，既提高了器件內(nèi)部各單元的利用率，又可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯功能。cpld的i/o口控制模塊，根據(jù)器件的類型和功能的不同，可有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但基本上每個(gè)模塊都由輸出極性轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)器和輸出三態(tài)緩沖器三部分及于它們相關(guān)的選擇電路組成。各個(gè)生產(chǎn)廠家可以根據(jù)不同的用途和使用對(duì)象的不同進(jìn)行選擇生產(chǎn)，以求

47、達(dá)到最佳的生產(chǎn)和使用目的。3.4.2 cpld芯片簡(jiǎn)介及器件選擇cpld（或fpga）的主要生產(chǎn)廠家是altera公司、xilinx、lattice等，各自都有自己的產(chǎn)品特點(diǎn)。(1) altera公司cpld的系列型號(hào)altera公司多年來(lái)一直在pld行業(yè)保持著領(lǐng)先地位，并在我國(guó)有著較多的用戶，該公司的pld器件具有高性能、高集程度、高性價(jià)比、低功耗等特點(diǎn)。主要型號(hào)有膠合（glue）邏輯類的max系列，低價(jià)位的acex系列、高速flex系列、高密度的apex系列等。而后來(lái)又推出的epm系列和epf系列的集程度更是大大提高，性能更加優(yōu)越。在眾多的產(chǎn)品系列中，altera公司推出的新型低成本cpl

48、d器件acex系列的主要特點(diǎn)為：密度范圍大，從1萬(wàn)到10萬(wàn)門（56,000到257,000系統(tǒng)門）；配備鎖相環(huán)（pll）技術(shù)，與64位、66mhz的pci兼容；產(chǎn)品系列從原1.8v擴(kuò)展至2.5v；提供系統(tǒng)速度超過(guò)115mhz的高性能功能。所以，acex系列是許多設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)選器件。(2) xilinx公司cpld的系列型號(hào)xilinx公司是在1985年首次推出cpld器件的，隨后不斷的推出新的集程度更高、速度更快、價(jià)格更低的cpld器件。其主要的cpld器件以coonrunner和xc9500兩大系列為代表。其中xc9500系列被廣泛應(yīng)用于通信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品中。該系列器件采用快閃存

49、技術(shù)，比e2cmos技術(shù)工藝的速度更快，功耗更低。目前，xilinx公司xc9500系列cpld的tpd可達(dá)4ns，宏單元數(shù)可達(dá)288個(gè)，系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)200mhz。xc9500系列器件支持pci總線規(guī)范和jtag邊界掃描測(cè)試功能，具有在系統(tǒng)可編程（isp）能力。該系列有xc9500、xc9500xv和xc9500xl三種類型，內(nèi)核電壓分別為5v、2.5v、3.3v，也就如前所說(shuō)，其功耗很低。(3) lattice公司cpld的系列型號(hào)lattice公司是最早推出pld器件的公司，20世紀(jì)90年代以來(lái)，lattice公司首先發(fā)明了isp技術(shù)，并將e2cmos與isp技術(shù)相結(jié)合，使cpld的應(yīng)用領(lǐng)

50、域有了巨大的發(fā)展。其產(chǎn)品主要有isplsi、ispmach等系列。集程度在1萬(wàn)門到2.5萬(wàn)門之間。工作電壓在3.3v，而其i/o口引腳可兼容5v、3.3v和2.5v等接口標(biāo)準(zhǔn)?？捎糜诟呶坏臄?shù)字系統(tǒng)中，準(zhǔn)確率很高。其中isplsi系列器件又分為四個(gè)系列：isplsi1000系列、isplsi2000系列、isplsi6000系列和isplsi8000系列。都可以滿足復(fù)雜程度很高的邏輯功能設(shè)計(jì)。根據(jù)以上所述，各個(gè)廠家生產(chǎn)的cpld芯片可謂各有各的優(yōu)點(diǎn)，功能都很齊全，而在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)cpld芯片的選擇是選用了altera公司acex1k系列的ep1k100qc208-3。因?yàn)楸救嗽谄綍r(shí)的實(shí)踐訓(xùn)

51、練中用的多數(shù)都是此芯片，有較多的關(guān)于ep1k100qc208-3的資料可以查詢，對(duì)ep1k100qc208-3的大多性能都有了一定的了解，用起來(lái)可以得心應(yīng)手，并且與其他的cpld芯片比起來(lái)，ep1k100qc208-3這一型號(hào)的優(yōu)點(diǎn)也很多，功能也很強(qiáng)大，故選擇該器件。3.4.3 ep1k100qc208-3簡(jiǎn)單介紹說(shuō)明 ep1k100qc208-3（管腳圖見附錄2）是altera公司生產(chǎn)的acex1k系列中的一個(gè)型號(hào)。它一共有208個(gè)管腳，其中i/o口有124個(gè)，gndin有20個(gè)，vccin有11個(gè)，vccio有14個(gè)，vcc_clk和gnd_clk各有一個(gè)，另外還有時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、專用程序

52、下載口等一共是37個(gè)。在此芯片上有如此多的i/o口，其目的就是為了方便用戶可以任意定義信號(hào)的輸入輸出口，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。這也是cpld的復(fù)雜功能所在，更是ep1k100qc208-3的用途所在。3.5 報(bào)警電路圖3-12 報(bào)警電路由于由cpld芯片的預(yù)設(shè)輸出口發(fā)出的電壓信號(hào)非常微弱，因此，需要將其放大，才能帶動(dòng)蜂鳴器使其工作。r8用一個(gè)滑動(dòng)變阻器使這個(gè)電壓信號(hào)的放大倍數(shù)可調(diào)，此報(bào)警電路的輸入引腳由cpld芯片輸出端給，我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)的下限報(bào)警溫度為10，上限報(bào)警溫度為30。在軟件設(shè)計(jì)中，當(dāng)由adc0804采集到的溫度超出1050的范圍，令cpld芯片的固定輸出口為“1”，則可實(shí)現(xiàn)蜂鳴器

53、報(bào)警，如圖3-12所示。 3.6 譯碼、驅(qū)動(dòng)電路圖3-13 譯碼、驅(qū)動(dòng)電路如圖3-13中所示，譯碼器74ls138與共陰極led數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器cd4511是由cpld的輸出口控制的，其中，p1、p2、p3與譯碼器的輸入相接，c為高位，a為地位。對(duì)四個(gè)共陰極數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)位選。在一個(gè)控制測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)共陰極led顯示器的控制采用“接地方式”，即通過(guò)控制led的“gnd”引腳的電平高低來(lái)達(dá)到選通的目的，該引腳即通常所說(shuō)的位選線。例如：我們想要讓第三位數(shù)碼管工作，那么需要使l3的位選線接低電平來(lái)達(dá)到目的，也就是使譯碼器輸出中的y3為0，其他為1。本系統(tǒng)中，我們采用動(dòng)態(tài)顯示方式，因此，需要不斷的片選，而共陰

54、極led顯示器的發(fā)光二極管負(fù)極接地，當(dāng)發(fā)光二極管的正極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。這就需要用cd4511來(lái)驅(qū)動(dòng)，例如：要顯示0字形時(shí)，需要led顯示器的8個(gè)發(fā)光二極管“a，b，c，d，e，f，g”七個(gè)字段中的“a，b，c，d，e，f”亮，那么，就需要使cd4511輸出中的a、b、c、d、e、f為高電平。這是cd4511芯片內(nèi)部已設(shè)定好的，表3-1為cd4511芯片內(nèi)部的二進(jìn)制與輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系列表。表3-1 cd4511輸入輸出邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系d c b adp g f e d c b a 0 0 0 00 0 1 1 1 1 1 10 0 0 10 0 0 0 0 1 1 00 0 1 0

55、0 1 0 1 1 0 1 10 0 1 10 1 0 0 1 1 1 10 1 0 00 1 1 0 0 1 1 00 1 0 10 1 1 0 1 1 0 10 1 1 00 1 1 1 1 1 0 00 1 1 10 0 0 0 0 1 1 11 0 0 00 1 1 1 1 1 1 11 0 0 10 1 1 0 0 1 1 13.7 顯示電路（led） 3.7.1 數(shù)碼管的選擇在一個(gè)控制應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示是人機(jī)通道的重要組成部分。目前廣泛使用的顯示器件主要有l(wèi)ed（二極管顯示器）、lcd（液晶顯示器）和vfd（真空熒光管）等。led顯示器造價(jià)低廉，與核心控制設(shè)備接口方便靈活，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，但只能顯示阿拉伯?dāng)?shù)字和少數(shù)字符，通常用于對(duì)顯示要求不高的場(chǎng)合。lcd和v