山东科技大学学士学位论文 总体方案的论证
远等特点。
总而言之，DS18B20的优点可以弥补AD590的缺点，DS18B20温度传感器不需要A/D转换直接可以与FPGA芯片相连，因此，此次课题我们将采用DS18B20作为温度传感器。
2.2 方案论证与确立
通过上述方案的比较，利用单片机作为控制器件具有原理简单、电路可靠，易于实现控制功能等优点，然而，这种情况下的温度测量电路和译码电路是比较复杂且易于出错，同时电路产生的误差会大大降低设备的寿命；利用FPGA作为核心控制器件，并且采用高精度数字温度传感器DS18B20，采集温度信号时直接由传感器采集，不需要信号放大和A/D转换，这样做可以大大简化电路连接减少误差，并且使用FPGA芯片可以利用其自身具有的可编程修改的特点避免了在设计过程中的麻烦，采用这种方法既可以为设计过程带来便利，又可以增加市场竞争力。综上所述，本次设计采用FPGA作为核心器件以及选用DS18B20温度传感器实现其功能，且实现结果是基于Quartus II仿真软件进行验证。
2.3 Quartus II介绍
Max+ plus II作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Max+ plus II 的更新支持。Quartus II 是Altera公司继 Max+ plus II之后开发的一种针对其公司生产的系列CPLD/PGFA器件的综合性开发软件，具有从设计输入到器件编程的所有功能，并且为用户提供了一整套设计解决方案，能够完成可编程片上系统的整个开发流程，在使用界面上更友好和人性化[3]。它的版本不断升级，从4.0版本已经更新到13.0版本，本次课题就是使用工具软件
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Quartus II11.0。该软件有如下几个显著的特点： 2.3.1 Quartus II 的优点
该软件界面友好，使用便捷，功能强大，是一个完全集成化的可编程逻辑设计环境，是先进的EDA工具软件。该软件具有开放性、与结构无关、多平台、完全集成化、丰富的设计库、模块化工具等特点，支持原理图、VHDL、Verilog HDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus II 可以在 XP、Linux 以及 Unix上使用，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。最重要的是Quartus II 11.0还特别容易学习与操作，所以，深受开发者的欢迎。 2.3.2 Quartus II 对器件的支持
Quartus II 支持 Altera公司的 MAX 3000A 系列、MAX 7000 系列、 MAX 9000 系列、 ACEX 1K 系列、APEX 20K 系列、APEX II 系列、FLEX 6000 系列、FLEX 10K 系列，支持 MAX7000/MAX3000 等乘积项器件。 支持 MAX II CPLD 系列、Cyclone 系列、Cyclone II、Stratix II 系列、Stratix GX 系列等。支持 IP核，包含了LPM/MegaFunction 宏功能模 块库，用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。此外，Quartus II 通过和 DSP Builder 工具与 Matlab/Simulink 相结合， 可以方便地实现各种 DSP 应用系统；支持 Altera 的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。
2.3.3 Quartus II 对第三方 EDA 工具的支持
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对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代 PLD开发平台。 该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。Quartus平台与 Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys 和 Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。改进了软件的 LogicLock 模块设计功能，增添了FastFit 编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。
Quartus II设计流程如图2.3所示。
图2.3 Quartus II设计流程
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3. 系统的硬件设计
3.1 系统的总体结构设计
本次设计的数字温度计主要3部分构成，温度采集模块（DS18B20），数据处理模块（FPGA），数码管显示模块。系统硬件结构框图如图3.1。
DS18B20FPGALED数码管 图3.1 系统硬件结构框图
3.1.1 温度采集模块
鉴于要测量温度，而开发板没有测量温度的设备，所以最基本是要添加外设数字温度传感器DS18B20。DS18B20外形与三极管一样，一只脚传输数据，另外两只脚分别接地与高电平使之工作。DS18B20实时测得的室温将转化成9到12位的串行数据，对串行数据进行“翻译”就可以得出实时室温。
DS18B20主要由七部分组成：高速暂存器、8位CRC发生器、64位光刻ROM、寄生电源、温度传感器、高温触发器TH和低温触发器TL。64
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位光刻ROM是温度敏感元件，其中包含了DS18B20唯一的序列号（唯一的名字）。 DS18B20共有3个引脚：GND、DQ和VDD[4]。其测得的数据与温度关系如表3.1所示。
表3.1 温度值对应的二进制温度数据
温度（℃） +125 +85 +25. 0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.0625 -55 数据输出 (二进制) 0000 0111 1101 0000 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0010 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000 数据输出(十六进制) 07D0h 0550h 0191h 00A2h 0008h 0000h FFF8h FF5Eh FE6Eh FC90h 图3.2是DS18B20的测温原理。从图中可以看出随着温度的变化，低温度系数晶振的振荡频率基本不会发生变化，减法计数器1接收到的信号是用于产生固定频率的脉冲信号；温度对高温度系数晶振的振荡频率的影响很大，因此，减法计数器2的脉冲输入就是其所产生的信号。图中实际上还隐含了一个计数门，DS18B20随着计数门的开启，对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲计数，最终完成温度测量。实际上，高温度系数振荡器决定了计数门的开启时间。
减法计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，如果这个计数器1的预置数为0，那么温度寄存器的值将会在此基础上加1，同时减法计数器1重新装入预置数，并对低温度系数振荡器产生的脉冲信
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