基于FPGA的温控电机系统的实现策略

　温度控制系统在工农业生产、控制仪表、国防、工程建设、科研等日常生活领域都占有重要地位。随着科学技术的发展，对生产工艺、产品质量的要求不断提高，越来越多的生产机械要求实现智能控制系统。智能温度控制系统广泛渗透于社会生活、工业生产的各个领域，适用于汽车、家电、电力电子、材料等行业。
　　由于FPGA的集成度高，灵活性好，运行速度快，开发周期短等优势，基于FPGA开发的设计方法和控制方式，得到越来越多的应用。此系统采用自顶向下的设计方法，使用模块化设计，使用VHDL语言编程，实时采集温度值，根据设定的不同温度值，产生出不同占空比的PWM波，从而实现温度控制电机的转速的目的。图1是温控系统结构框图。
　　一、温度采集电路单元
　　传统的模拟温度采集传感器通常采用热敏电阻等器件作为敏感元件，若使用这类模拟器件进行温度采集，就需要先对采集到的小信号经过放大电路，然后再通过A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，再将数字信号送给FPGA芯片进行处理。这样一来，电路相对比较复杂，使用中要解决放大电路零点漂移误差、引线误差等问题，同时模拟温度信号容易受到采集现场的各种电磁干扰信号而产生测量误差，影响采集信号的准确度和精度。
　　为了克服以上的问题，本系统采用高精度数字传感器DS18B20，此器件是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器芯片，具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为-55℃～+125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用16位补码方式串行输出；FPGA控制器只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
　　本系统测量温度采用温度传感器芯片DS18B20，它可以将温度信号直接转换成数字信号，不需要使用A/D转换芯片，提高了采集效率和准确度，大幅减小了测量误差。FPGA控制器读取单总线温度传感器DS18B20所发出温度信号的16位串行数字量。DS18B20读取温度值，要经过一系列程序：初始化、发送跳过ROM指令（0xcc）、发温度转换指令（0x44）、再次初始化、发送跳过ROM指令（0xcc）、发送读取温度指令（0xbe），然后读取两个字节16位的温度值，先读取低字节，再读取高字节。高字节的低4位及低字节的高4位组成的一个字节是实测温度值的整数部分的补码，（低字节的低4位表示实测温度的小数值），仅显示整数部分的话，只需返回新组成的那一个字节值。
　　二、FPGA控制器
　　本系统使用Altera公司的CycloneII系列的EP2C20F484C7作为主控芯片。控制器核心板采用友晶科技DE1开发板，内建USB Blaster电路用于FPAG程序下载或控制外围电路，支持JTAG与AS模式，使用Altera EPCS4序列EEPROM，高达50MHz的振荡器，配有72个I/O接脚以及8个电源与接地接脚，同时还有4个按钮开关10个滑动开关，16个LED等及4个静态八段数码管等等资源。使用开发板性能稳定，外围电路简单，并且调试方便。
　　通过使用QuartusII软件，用VHDL语言编写状态机程序控制DS18B20工作，FPGA读取出温度传感器采集到的温度值的数字量，根据得到的数字量的大小，通过数据转换进程，改变产生PWM波形进程中的计数信号，从而产生于不同的占空比的信号，最后在I/O端口输出受温度控制的PWM波，用于改变电机转速。
　　三、电平转换及电机驱动电路
　　在新一代电子电路设计中，由于各类芯片越来越注重低功耗的设计，所以低电压逻辑使用的情况越为普遍，低电压逻辑的引入常常会使得系统内部出现输入/输出逻辑不匹配的问题，可以引入电平转换芯片。FPGA芯片输出逻辑高电平电压值为3.3v，次系统电机电压却为5v，为了让电机能获得较大功率，故引入电平转换芯片SN74LVC4245。由于驱动直流电机需要较大电流，而FPGA等芯片产生的信号驱动能力较差，故必须接入驱动电路或者使用电机驱动芯片。此系统可采用低成本的H桥驱动电路。
　　四、结束语
　　本文对温度采集系统、FPGA控制器、电平转换以及电机驱动电路几个方面进行分析，实现了温控电机系统。本系统调试方便，硬件电路成本较低。后续对系统还可以做进一步改进，比如引入温度显示模块和电机测速模块，以便实现闭环控制，使得控制系统更加精准。
　　参考文献：
　　[1]包研，袁宏.基于FPGA的温控系统在制冷工况中应用研究[J].大庆师范学院学报，2010（11）：26-28.