前言

隨著社會(huì)節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們越來越重視能源的利用效率。傳統(tǒng)的暖氣控制都是利用鍋爐燒出蒸汽或熱水，通過管道輸送到建筑物內(nèi)的散熱器中，散出熱量，使室溫增高。但是這種設(shè)備控制中心和客戶端不在同一個(gè)地方，這樣就存在著一種控制中心不了解客戶的情況。存在著暖氣開得過大或者過小，從而導(dǎo)致客戶溫度過低或過高而浪費(fèi)了能源!

以前大多溫度控制系統(tǒng)都是用單片機(jī)控制的，但是隨著FPGA的迅速發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣。本人將設(shè)計(jì)出一套由FPGA獨(dú)立控制的、智能化的遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)。由一個(gè)放置于客戶端的溫度采集系統(tǒng)采集到客戶端溫度(可排除工程中熱損失)，當(dāng)大于或小于人體最佳溫度區(qū)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由控制端去控制是應(yīng)該加溫還是降溫，從而達(dá)到節(jié)能的作用。

1 數(shù)字溫度傳感技術(shù)

1．1 數(shù)字溫度傳感器原理

數(shù)字溫度傳感器LM75A是一個(gè)使用了內(nèi)置帶隙溫度傳感器和∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。簡化框圖如圖1所示。

它也是一個(gè)溫度檢測器，可提供一個(gè)過熱檢測輸出。LM75A包含許多數(shù)據(jù)寄存器：配置寄存器(Conf)，用來存儲(chǔ)器件的某些配置，如器件的工作模式、OS工作模式、OS極性和0S故障隊(duì)列等；溫度寄存器(Temp)，用來存儲(chǔ)讀取的數(shù)字溫度，器件通過2線的串行I2C總線接口與控制器通信。LM75A還包含一個(gè)開漏輸出(OS)，當(dāng)溫度超過編程限制的值時(shí)該輸出有效。LM75A有3個(gè)可選的邏輯地址管腳，使得同一總線上可同時(shí)連接8個(gè)器件而不發(fā)生地址沖突。

LM75A可配置成不同的工作條件。它可設(shè)置成在正常工作模式下周期性地對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)控或進(jìn)入關(guān)斷模式來將器件功耗降至最低。OS輸出有2種可選的工作模式：OS比較器模式和OS中斷模式。OS輸出可選擇高電平或低電平有效。故障隊(duì)列和設(shè)定點(diǎn)限制可編程，為了激活OS輸出，故障隊(duì)列定義了許多連續(xù)的故障。

溫度寄存器通常存放著一個(gè)11位的二進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)碼，用來實(shí)現(xiàn)0．125℃的精度。這個(gè)高精度在需要精確地測量溫度偏移或超出限制范圍的應(yīng)用中非常有用。

正常工作模式下，當(dāng)器件上電時(shí)，OS工作在比較器模式，溫度閾值為80℃，滯后75℃，這時(shí)，LM75A就可用作一個(gè)具有以上預(yù)定義溫度設(shè)定點(diǎn)的獨(dú)立的溫度控制器。

1．2 溫度傳感器控制原理

如果將溫度傳感器設(shè)定為正常工作模式，那么首先要向配置寄存器寫入控制字告訴器件的工作模式。寫配置寄存器時(shí)序如圖2所示。

寫配置寄存器首先要選擇器件的地址，即A0-A2設(shè)置與硬件地址A0-A2一樣。然后是寫入配置寄存器地址指針，配置寄存器指針為”0000-000l”。等待器件應(yīng)答一個(gè)SCL周期，再寫入工作模式控制字。如果設(shè)置在正常工作模式下，OS設(shè)置為比較輸出，那么配置數(shù)據(jù)字應(yīng)寫入”00000000”。

寫入配置寄存器控制字”00000000”后溫度傳感器工作在正常工作模式下，即每一段時(shí)間溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存放在溫度寄存器里，所以只需要將溫度寄存器的數(shù)據(jù)讀出再加以計(jì)算即可以得到溫度數(shù)據(jù)。讀取溫度寄存器的時(shí)序如圖3所示。

讀取溫度寄存器時(shí)首先是選中器件，地址信號(hào)應(yīng)該與硬件設(shè)置地址一致。第二段是選擇溫度寄存器，溫度寄存器指針地址P1-P0寫入”0-0”，表示下次操作的默認(rèn)寄存器為器件的溫度寄存器。重新起始后再次選中器件并讀取溫度寄存器的十六位的溫度數(shù)據(jù)，并將十六位的數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)前十一位提取出，即可得到有效的溫度數(shù)據(jù)。將溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的溫度比較后得出升溫或降溫信號(hào)，連接到無線發(fā)射模塊的KEYl、KEY2上發(fā)射到接收端。接收端接收到信號(hào)后再經(jīng)過放大后便可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)等。

2 時(shí)序的實(shí)現(xiàn)方法

FPGA與其它邏輯語言的運(yùn)行有很大區(qū)別，最大的區(qū)別就是FPGA是硬件語言，而不是類似于c語言的程序。VHDL下載后生成的是邏輯硬件電路，不是控制器控制執(zhí)行的邏輯語句。VHDL語言每個(gè)進(jìn)程之間是并行運(yùn)行的，但是進(jìn)程內(nèi)部的語句卻又是順序執(zhí)行的。而且每個(gè)信號(hào)的傳輸都是在所在進(jìn)程結(jié)束的時(shí)候進(jìn)行的。這點(diǎn)很重要，比如你對(duì)一個(gè)信號(hào)前后兩次賦值，哪怕你中間有很多運(yùn)算最終的結(jié)果還是最后一次賦值的結(jié)果，前一次賦值將是無效的，且會(huì)在報(bào)告中彈出一個(gè)警告。每個(gè)process的運(yùn)行是靠敏感信號(hào)觸發(fā)的，敏感信號(hào)放在process后面的括號(hào)中。所以對(duì)于VHDL語言來說循環(huán)語句不是很必要的，因?yàn)槊看蚊舾行盘?hào)變化該進(jìn)程將從程序的第一句開始重新運(yùn)行一次。意味著一個(gè)進(jìn)程本來就是一個(gè)循環(huán)，只有變化的部分的信號(hào)才能得到改變。這一點(diǎn)與普通邏輯語言有很大的區(qū)別。

對(duì)于時(shí)序的實(shí)現(xiàn)有很多方法，可以用case語句實(shí)現(xiàn)，也可以用if語句實(shí)現(xiàn)。但是最有效和合乎邏輯的方法是用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。以下是狀態(tài)機(jī)的模型。

狀態(tài)機(jī)邏輯清晰，在每個(gè)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)下將每個(gè)信號(hào)應(yīng)該進(jìn)行的操作放在對(duì)應(yīng)的狀態(tài)機(jī)程序中，嚴(yán)格控制各個(gè)信號(hào)的時(shí)序要求則可精確地實(shí)現(xiàn)高速控制。而且比單片機(jī)具有更高的速度。

3 無線收發(fā)模塊

3．1 無線收發(fā)硬件原理

如圖4所示，無線發(fā)射模塊PT2262將來自10-13管腳的按鍵信號(hào)編碼后在17管腳上輸出。PT2262的17管腳的信號(hào)由同步碼、地址碼、數(shù)據(jù)碼組成。17管腳輸出信號(hào)經(jīng)過R315A芯片AM調(diào)制后輸出到天線上。每組數(shù)碼連續(xù)發(fā)射四次，只有兩次得到的數(shù)碼一樣以后才把相應(yīng)數(shù)據(jù)位輸出高電平。為了保護(hù)高頻設(shè)備，本設(shè)計(jì)采用間歇發(fā)射的方式，即每3s發(fā)射一下信號(hào)，然后停止1s。目的是為了保護(hù)高頻設(shè)備，避免其一直處于一種工作狀態(tài)而降低其壽命。

接收電路如圖5所示，接收端將天線接收到信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)三極管放大以后再經(jīng)過一級(jí)同向放大，最后將放大信號(hào)經(jīng)過比較以后，輸出到PT2272芯片的14管腳，如果沒有受到外部干擾，PT2272的14管腳的信號(hào)與PT2262的17管腳的信號(hào)是一致的。PT2272內(nèi)部將接收到的信號(hào)解碼后得出數(shù)據(jù)碼，并在相對(duì)應(yīng)的輸出管腳輸出高電平。如果輸出的信號(hào)有效，那么在2272的17管腳將輸出一個(gè)高電平有效的信號(hào)，表示輸出信號(hào)是有效的。

4．2 無線發(fā)射信號(hào)原理

發(fā)射數(shù)據(jù)分為三部分，第一部分是地址碼，第二部分是數(shù)據(jù)碼，最后一部分是同步碼。即在每一段數(shù)據(jù)后邊都有一個(gè)定位信息。每個(gè)AD碼為占32a。地址碼和數(shù)據(jù)碼都用寬度不同的脈沖來表示，兩個(gè)窄脈沖表示”O(jiān)”；兩個(gè)寬脈沖表示”1”；一個(gè)窄脈沖和一個(gè)寬脈沖表示”F-”，也就是地址碼的”懸空”。

發(fā)射的數(shù)據(jù)是一個(gè)字碼由12位AD碼(地址碼加數(shù)據(jù)碼，比如8位地址碼加4位數(shù)據(jù)碼)組成。2262每次發(fā)射時(shí)至少發(fā)射4組字碼，2272只有在連續(xù)兩次檢測到相同的地址碼加數(shù)據(jù)碼才會(huì)把數(shù)據(jù)碼中的”1”驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平和驅(qū)動(dòng)VT端同步為高電平。

因?yàn)闊o線發(fā)射的特點(diǎn)，第一組字碼非常容易受零電平干擾，往往會(huì)產(chǎn)生誤碼，所以程序可以丟棄處理。接收端接收到升溫或者降溫信號(hào)后可以控制步進(jìn)電機(jī)等驅(qū)動(dòng)電路工作去控制暖氣系統(tǒng)升溫和降溫。