天津科技大学2011届本科生毕业论文
1 绪论
1.1 电子设计自动化(EDA)
电子设计自动化EDA是指以计算机为工作平台，把应用电子技术、计算机技术、智能化技术等融合在一个电子CAD通用软件包中，辅助进行三方面的电子设计工作:集成电路设计、电子电路设计以及PCB设计。电子设计自动化发展40多年来，先后经历了三个阶段:
l).CAD阶段(20世纪60年代-80年代初期) 2).CAE阶段(20世纪80年代-90年代初期) 3).EDA阶段(20世纪90年代以来)
进入20世纪90年代以来，电子信息类产品的开发明显出现两个特点:一是产品的复杂程度加深;二是产品的上市时限紧迫。这两点对EDA技术提出了新的要求，为此业界开始使用一种高层次的电子设计方法，也称为系统级的设计方法。 高层次设计是一种“概念驱动”形式的设计。它的设计步骤如下: 1).对系统进行任务划分。 2).进行设计输入。
3).将以上的设计输入编译成标准的HDL文件。
4).利用综合器对HDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件。 5).这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。
6).利用适配器将综合后的网表文件针对某一确定的目标器件进行逻辑映射。 7).将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入FPGA或CPLD中。
1.2硬件描述语言(HOL)
硬件描述语言 (Hardware Description Language)是硬件设计人员和EDA工具之间的界面，它主要用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象既可以是简单的门，也可以是完整的电子数字系统。硬件描述语言的主要功能是用于编写设计文件，建立电子系统行为级仿真模型。利用高性能的计算机对用verilog HDL和VHDL建模的复杂数字逻辑模型进行仿真。并对它进行自动综合以生成符合设计要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑网表(Net list)。根据网表和适合某种工艺的器件自动生成具体电路，
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并生成该工艺条件下具体电路的延时模型。仿真验证无误后的电路用于制ASIC芯片或写入FPGA和CPLD器件中。
在EDA领域中，一般把用HDL语言建立的数字模型称为软核(Soft Core)，把用HDL建模和综合后生成的网表成为固核 (Hard Core)。重复利用这些模块可以缩短开发时间，提高产品开发成功率，并提高设计效。
1.3现场可编程逻辑器件(FPGA)
l)可编程逻辑器件
随着电子技术的不断发展与进步，电子系统的设计方法发生了很大的变化。传统的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于EDA技术的芯片设计正在成为电子系统设计的主流。大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路(ASIC)。电子设计工程师利用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路，从而大大缩短了产品上市时间，降低了开发成本。此外，可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性。这使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。
正是如此，CPLD和FPGA受到了世界范围内广大电子设计工程师的普遍欢迎，应用日益广泛。FPGA是英文Field Programmab1e Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA采用了逻辑单元阵列 LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括一可配置逻辑模块CLB(configurable logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。FPGA的基本特点主要有:
采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 ? FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 ? FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
? FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件 之
一。
? FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的VIRTEX系列、SPARTAN系列TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。
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FPGA是由存放在片内ROM/RAM中的程序来设置其工作状态的。因此，工作时需要对片内的ROM/RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。
加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失。因此FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。
因此，FPGA的使用非常灵活。
FPGA有多种配置模式:并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。 2)用HDL语言开发PLD/FPGA的基本流程为:
? 文本编辑:用任何文本编辑器都可以进行，也可以用专用的HDL编辑环
境。通常VHDL文件保存为.vhd文件，Verilog文件保存为.v文件 ? 功能仿真:将文件调入HDL仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否
正确(也叫前仿真，对简单的设计可以跳过这一步，只在布线完成以后，进行时序仿真)
? 逻辑综合:将源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合成最简
的布尔表达式和信号的连接关系。逻辑综合软件会生成.edf(edif)的 ? EDA工业标准文件。
? 布局布线:将.edf文件调入PLD厂家提供的软件中进行布线，即把设计
-好的逻辑安放到PLD/FPGA内。
? 时序仿真:需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电
路的时序。(也叫后仿真)
? 编程下载:确认仿真无误后，将文件下载到芯片中。
1.4论文选题背景
目前基一于智能温度传感器 DS18B20的测温设计大多是单片机程序。本课题尝试使用FPGA芯片进行设计。FPGA内部有卜富的触发器和I/O引脚，同时具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，极大地提高了设计的灵活性和通用性，更适于电子系统的开发.如果用户需求量非常大，采用ASIC流片则极大地节省了省成本，经济效益十分显著。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。鉴于此，本课题使用硬件描述语言设计FPGA控制器来实现传感
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器控制，同时用VC来实现用户控制界面。
一线总线(l-wire)传感器的出现(如DS18B20)，使得在仓库、工厂、楼宇等需要实时测温的网络布线得以大大改善。比如:在大体积混凝土的建造过程中，为防止混凝土的开裂而造成工程的失败，需要对若干点的温度进行实时监控。由于施工现场的限制，使得可利用的布线区域越简单越好。与此同时，现场温度的采集与控制也有一定的要求。这时就可以在需要的测温点横向或纵向构成一层层的网络，而各个一线总线传感器直接挂接在上面即可。而对于每层的温度采集和控制则可以由“FPGA控制器”去实现，它也只需挂接在上面就可以了，使用和拆卸都很方便。并且由于FPGA移植性好、升级方便，对于各企业的成本也可以大大降低。随着FPGA的进一步发展，此温度采集控制器的应用范围将不断扩大，所体现的价值也将越来越高。
1.5论文安排
本章为论文的概述部分。介绍了电子设计自动化技术、硬件描述语言和FPGA的特点和开发流程，并介绍了课题的背景。
第二章系统性地介绍了智能温度采集控制器的关键技术:首先介绍了温度传感器的发展与应用，然后重点分析了本课题所涉及的数字一线总线温度传感器的命令和时序。最后对课题中采用的通信技术与人机交互界面做了简单介绍。 第三章和第四章详细分析了智能温度采集控制器的体系架构，提出了控制器的设计架构、系统开发环境，讨论了控制器的设计方案。重点对系统的软硬件进行了设计。
第五章对全文作了总结，对进一步的研究作了展望，希望本设计能使智能温度采集控制器在新的领域有所发展。
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2 智能温度采集控制器关键技术分析
整个智能温度采集控制器分为三个部分:PC端上位机-FPGA控制器-温度传感器 DS18B20。如图2-l。
PC端上位机RS232C 总线规范FPGA控制器1-wire bus总线规范温度控制器DS18B20温度控制器DS18B20温度控制器DS18B20 图2-1 系统结构图
? PC机实现的上位机提供便捷友好的用户界面。用户只需要简单地点击
一下按钮，就可以得到所关心的数据，而不必关心到底层复杂的通讯过程。上位机程序根据用户的使用目的，自动与FPGA进行一系列的通讯，使上位机通过编程实现一个控制器来控制PC主板上的串口模块，一个能通过FPGA转发后与传感器通讯的状态机控制器和一个用于与用户交互的用户界面。 ? FPGA实现的控制器处于既端上位机与温度传感器 DS18B20中间。它
接收从串口得来的PC端上位机命令,通过内部状态机逻辑的判断和控制，将命令传达至传感器，并将命令的执行结果返回给上位机。 FPGA主要实现l-wire收发器和RS232收发器，对两边起沟通作用。
? 智能温度传感器 DS18B20集温度测量，A/D转换于一体，具有一线总
线结构，数字量输出，直接与微机接口等优点。
2.1温度传感器
近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段:
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