重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 硬件电路原理及设计
由于热敏电阻会随温度变化而变化，进而产生输出电压变化的微弱电压变化信号，再经模数转换芯片ADC0809将微弱电压变化信号转化为数字信号输入FPGA处理。
方案二：采用数字式的集成温度传感器DS18B20作为温度检测的核心元件，由其检测并直接输出数字温度信号给FPGA进行处理。
对于方案一，采用热敏电阻作为温度检测元件，有价格便宜，元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不太敏感，在信号采集、放大以及转换的过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的R-T关系的非线性，其自身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路来修正，但这不仅将使电路变得更加复杂，而且在人体所处环境温度变化过程中难以检测到小的温度变化。故该方案不适合本系统。
对于方案二，由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大转化等电路的误差因数，温度误差变得很小，并且由于其检测温度的原理与热敏电阻检测的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。温度值在器件内部转化成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该温度传感器采用先进的单总线技术，与FPGA的接口变得非常简洁，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。
2.3.2 调速方式的选择
方案一：采用数模转换芯片DAC0832来控制，由FPGA根据当前环境温度值输出相应数字量到DAC0832中，再由DAC0832产生相应模拟信号控制晶闸管的导通角，从而通过无级调速电路实现风扇电机转速的自动调节。
方案二：采用FPGA软件编程实现PWM（脉冲宽度调制）调速的方法。PWM是英文Pulse Width Modulation的缩写，它是按一定的规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调节方式，在PWM驱动控制的调节系统中，最常用的是矩形波PWM信号，在控制时需要调节PWM波得占空比。占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。在控制电机的转速时，占空比越大，转速就越快，若全为高电平，占空比为100%时，转速达到最大。
对于方案一，该方案能够实现对直流风扇电机的无级调速，速度变化灵敏，但是D/A转换芯片的价格较高，与其温控状态下无级调速功能相比性价比不高。
对于方案二，相对于其他用硬件或者软硬件相结合的方法实现对电机进行调速而言，采用PWM 用纯软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，并可大大降低成本，能够充分发挥FPGA的功能，对于简单速度控制系统的实现提供了一种有效的途径，并且所输出的FPGA信号可直接提供给L298N芯片去驱动并控制24V直流电机。综合考虑选用方案二。
2.3.3 显示方式的选择
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方案一：采用四位共阳数码管显示温度，动态扫描显示方式。 方案二：采用液晶显示屏LCD显示温度
对于方案一，该方案成本低廉，显示温度明确醒目，在夜间也能看见，功耗极低，显示驱动程序的编写也相对简单，这种显示方式得到广泛应用。不足的地方是扫描显示方式是使四个LED逐个点亮，因此会有闪烁，但是人眼的视觉暂留时间为20MS，当数码管扫描周期小于这个时间时人眼将感觉不到闪烁，因此可以通过增大扫描频率来消除闪烁感。
对于方案二，液晶体显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，这是LED数码管无法比拟的。但是液晶显示模块价格昂贵，驱动程序复杂，从简单实用的原则考虑，本系统采用方案一
2.4 重点研究内容及实现途径
当档位处于最高档位时，此时温度上升档位也不会发生变化。同时设置了一个下限温度，当温度低于此下限温度时，电扇停止工作；而当温度超过此温度时电风扇又将重新启动。 面板（显示）、操作、规则本设计中通过数码管来显示测得的温度。电设置有开关键、reset 键和锁存键，开关键控制电机的通电状态，reset 键可以使电机的档位回归为最低的档位， 锁存键则是可以使电机的档位保存在当前的状态，不随温度的变化而发生变化。 输入、输出接口 本设计中输入为数字温度信号，输出的 PWM 控制波形。数字温度信号是通过温度传感器和模数转换器获得的。根据输入的数字温度信号，利用 FPGA 进行分析处理输出占空比可调的 PWM 来控制电机的转速。电源电路的设计，通过桥式整流电路并运用LM2575T实现交流转直流，将其输出的电压提供给L298N驱动以及对FPGA提供电源。
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3.1 FPGA
FPGA是英文Field Programmable 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： ①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。 ②FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 ③FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
④FPGA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。 ⑤ 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XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片内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。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM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。
3.2 Cyclone V- EP4CE6芯片
3.2.1芯片简介
Cyclone V是FPGA制造厂商ALTER下面的一个系列产品，其采用了TSMC
的28-nm低功耗(28LP)工艺进行开发，满足了目前大批量低成本应用对最低功耗、
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最低成本，以及最优性能水平的需求。与前几代产品相比，该系列总功耗降低了40%，静态功耗降低了30%。Cyclone V FPGA提供功耗最低的串行收发器，每通道在5Gbps时功耗只有88-mW，处理性能高达4,000-MIPS，而功耗不到1.8W。此外，该系列集成了丰富的硬核知识产权模块，例如，支持400MHz DDR3和PCI Express Gen2硬核IP模块的多功能硬核存储器控制器等，帮助工程师降低系统成本和功耗，缩短设计时间，同时突出产品优势。为保护宝贵的IP投入，该系列还提供最全面的设计保护功能，包括支持易失和非易失密钥的256位高级加密标准(AES)。
3.2.2 EP4CE6开发板
在本次设计中，采用了EPRCE6-FPGA芯片，其采用了TSMC的28-nm低功耗(28LP)工艺进行开发，满足了目前大批量低成本应用对最低功耗、最低成本，以及最优性能水平的需求。支持400MHz DDR3和PCI Express Gen2硬核IP模块的多功能硬核存储器控制器等，帮助工程师降低系统成本和功耗，缩短设计时间，同时突出产品优势，同时，为了缩短设计周期，设计直接从网上购买了开发板，以保证设计的进度。开发板具体性能及参数如下：
① 采用EPCS4SI8N串行配置芯片，同时支持JTAG和AS模式； ② 采用50MHz 有源晶振，提供系统工作时钟； ③ 采用电源芯片1117‐3.3V，提供3.3V电压输出；
④ 采用5V直流电源插座和USB供电方式，两种供电方式方便开发板的使用 ⑤ 采用自恢复保险丝、肖特基二极管的应用，大大提高了电路的可靠性和安全性；
⑥采用自锁按键电源开关；
⑦一个重新配置按键，为用户提供重新配置信号；
JTAG下载接口，一般用于测试过程中，对应下载的文件是SOF文件，下载速度快，但是掉电程序丢失；AS下载接口，一般用于固化程序，对应下载的是POF文件，下载速度相对较慢，但是掉电程序不丢失，在日常学习的中建议使用JTAG方式；
3.2.3 时钟部分和复位电路
Altera FPGA开发板采用50M有源贴片时钟，提供芯片的主时钟，方便用户其他使用。提供一个全局复位按键，提供复位信号，时钟部分电源均经过了滤波处理，提高了电源的稳定性。
Altera FPGA核心板中对这些时钟引脚进行了如下处理：
① CLK1作系统工作时钟，直接接入晶振. ② CLK2用作系统复位引脚，可以实现复位功能；
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③ CKL3、CLK4、CLK5、CLK6、CLK7已经引出，用户在使用时只能作为输入引脚；
电路原理如图3.1所示。
图3.1 时钟与复位电路原理图
3.2.4内部电源电路
电源部分是保证整个开发板系统正常工作最重要的部分。 Altera FPGA开发板外部采用输入直流5V电源和usb供电两种供电模式，经过AMS1117‐3.3V 稳压后输出3.3V，3.3V主要用于给FPGA 所有I/O口，以及核心板存储器电路、串行配置器件、复位电路和LED指示灯等供电。 然后3.3V送给AMS1117‐1.2V 稳压，提供FPGA的内核电压。pwr为电源工作指示灯，提供电源运行情况指示，D1为1N5822，高速肖特基二极管，防止电源接反；同时各电源输入及输出部分设计了高质量钽电容用作电源滤波处理，提高系统电源稳定性。电源部分的原理图如图3.2所示。
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