西安工业大学毕业设计（论文） 1.2 工作内容
1.2.1技术指标和要求
在本次设计中，我们需要用DS18B20测量实时温度，用四位共阳数码管来显示，要求达到以下几个要求 技术指标：
测量范围：15~25℃，分辨率：0.5℃，显示位数：4位显示带小数点
工作要求：
1.了解温度测量系统设计不同方案，确定方框图；
2.掌握数字传感器及FPGA芯片功能，划出硬件原理图；
3.根据模块划分设计系统软件，学习VHDL或Verilog语言，并在
QuartusⅡ环境下仿真，观察正确性； 4.完成电路硬件组装及调试 1.2.2设计的难点重点
1.软件设计部分重点是流程图的设计与各模块编程，难点在于编程的实现以及DS18B20温度传感器与FPGA芯片之间的通信；
2.硬件部分要深入理解DS18B20器件，难点在于各个电路单元单路设计和各单元电路的连接；
3.整个设计重点在于熟练的掌握DS18B20的工作原理和应用QuartusⅡ软件。
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2系统方案设计
2 系统方案设计
2.1 温度测量原理及方法
温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量仪是利用物质各种物理性质随温度变化的规律，把温度转换为电量并显示的一种仪器，温度的测量和控制已经发展为重要的课题，在工程应用和科学研究等很多场合都十分需要，比如大型饲养场，蔬菜大棚等等。
温度的测量方法有最基本的两种，接触式和非接触式，非接触式又称为辐射测温。大多数情况下，我们都采用接触式测量方法，利用温度传感器或相关器件，比如基于AT89C51单片机的温度测量和基于ARM的温度测量系统等等，经过比较，决定采用FPGA技术和温度传感器DS18B20组成的系统来实现测量温度的功能。后面将对其进行阐述。
2.2 系统方案及方框图
鉴于使用FPGA，开发板上没有温度传感器，所以需要添加传感器DS18B20，而DS18B20有两种传输途径，一种是无线传输，一种是有线传输。对于无线传输，优点是测量更加灵活方便，不局限于线的长度，缺点是必须增加外部设备，增加了设计的难度，所以我们采用第二种，有线传输方式，在实现功能的同事设备简单，难度降低。DS18B20是将采集到的无难度信号转换为9到12位的串行数据，而数码管显示是通过8位并行数据，所以需要对采集到的串行数据进行转化处理送到数码管来显示。FPGA工作频率是1MHz，开发板上时钟信号是50MHz，所以需要通过编程来实现分频，经过考虑，画出系统方框图（图1）
分 频 温度信号采集 FPGA控制 数码管显示
图2.1 系统方案设计
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西安工业大学毕业设计（论文） 分频：将50MHz的时钟频率进行分频产生1MHz频率信号，为FPGA器提供正常工作频率。
温度信号采集：从外界获得温度信号，发送给FPGA控制模块；
FPGA控制：根据DS18B20所遵循的初始化时序、读时序、写时序等通信协议对DS18B20传感器进行初始化和访问，将从DS18B20读取的二进制温度信息进行处理送给数码管；
显示模块：从FPGA控制模块获得输出数据，将其译为七段值，在共阳数码管上显示采集到的温度信息。
2.3 FPGA技术
FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列），它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。FPGA既具有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半制定电路出现的，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特点。
以硬件描述语言（VHDL或Verilog）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速烧至FPGA上进行测试，是现在IC设计验证的技术主流。这些可编程元件可以被用来实现一些基本的逻辑电路（比如AND、OR、NOT、XOR）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编程的元件里也包含记忆元件若触发器或者其他更完整的记忆块。
传统上FPGA只能实现相对较小的逻辑电路，随着工艺技术的提高， FPGA的容量和性能也不断提高，如今FPGA已经被用于实现大的逻辑电路甚至整个系统。这些大的系统相对于传统上一直作为FPGA市场目标的小逻辑分支电路有着很大的不同。其中一个最重要的不同就是这些大的系统中包含存储器。所以，要有效的在FPGA中实现存储器，结构的支持至关重要。
FPGA一般来说比专用集成芯片的速度要慢，无法完成复杂设计，但是功耗低。他们也有很多优点，比如可以快速成品，可以修改程序或者改正程序中的错误，而且造价十分便宜。FPGA从诞生以来，经历了从配角到主角的过程，从初期开发应用到限量生产应用再到大批量生产应用的发展历程。从技术上来说，最初只是逻辑器件，现在强调平台概念，加入数字信号处理、嵌入式处理、高速串行和其他高端技术，从而被应用到更多的领域，让更多学FPGA的人看到了希望，其广阔的前景正是我们选择的原因之一。由于用户可以迅速对PLD进行编程，按照需求实现特殊功能，与ASIC和ASSP相比，PLD在灵活性、开发成本以及产品及时面市方面更具优势，所以未来FPGA将会是一个非常有前景的行业。FPGA由于其结构的特殊性，可以重复编程，开发周期较短，越来越受人们的青睐。
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西安工业大学毕业设计（论文） 其工作原理如下，FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）的概念，内部包括可配置逻辑模块（Configurable Logic Black），输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列相比，FPGA结构不同，FPGA利用小型查找表（16x1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O模块。由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的连接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
其基本特点是：采用FPGA设计专用集成电路（ASIC），用户不需要投片生产，就能得到想用的芯片；可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片；内部有丰富的触发器和I/O引脚；是专用集成电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。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的编程无需专用的FPGA编程器，只需用通用的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，可以产生不同的功能。所以，FPGA使用起来非常灵活。
FPGA设计也有自己的原则，其原则如下： 1.面积与速度的平衡互换原则
这里的面积指的是FPGA的芯片资源，包括逻辑资源和I/O资源等；这里的速度指的是FPGA工作的最高频率（和DSP或者ARM不同，FPGA设计的工 作频率是不固定的，而是和设计本身的延迟紧密相连）。 在实际设计中，使用最小的面积设计出最高的速度是每一个开发者追求的目标，但是“鱼和熊掌不可兼得”，取舍之间展示了一个开发者的智慧。
2.硬件可实现原则
FPGA设计通常会使用HDL语言，比如Verilog HDL或者VHDL。当采用HDL语言来描述一个硬件电路功能的时候，一定要确保代码描述的电路是硬件可实现的。
Verilog HDL语言的语法与C语言很相似，但是它们之间有着本质的区别。C语言是基于过程的高级语言，编译后可以在CPU上运行。而Verilog HDL语言描述的本身就是硬件结构，编译后是硬件电路。因此，有些语句在C语言的环境中应用是没有问题的，但是在HDL语言环境下就会导致结果不正确或者 不理想。
3.同步设计原则
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西安工业大学毕业设计（论文） 同步电路和异步电路是FPGA设计的两种基本电路结构形式。异步电路的最大缺点是会产生毛刺。同步设计的核心电路是由各种触发器构成的。这类电路的任何输出都是在某个时钟的边沿驱动触发器产生的。所以，同步设计可以很好地避免毛刺的产生。随着可编程逻辑技术的不断进步和创新，FPGA已被广泛应用于通信、航天、医疗电子、工业控制等领域。上90年代后期FPGA市场就已经过一番激烈整合，许多业者不是退出PLD(可程序化逻辑装置)市场，就是出售其PLD业务部门，或将PLD业务部门分立成独立公司，或进行购并等。时至今日，FPGA市场的主要业者仅剩数家，包括Altera、Xilinx(赛灵思，过去称为：智霖科技)、Actel、Atmel、Lattice。
FPGA（现场可编程逻辑器件）产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域。而应用的变化也使FPGA产品近几年的演进趋势越来越明显：一方面，FPGA供应商致力于采用当前最先进的工艺来提升产品的性能，降低产品的成本；另一方面，越来越多的通用IP（知识产权）或客户定制IP被引入FPGA中，以满足客户产品快速上市的要求。此外，FPGA企业都在大力降低产品的功耗，满足业界越来越苛刻的低功耗需求。
由于其现场逻辑功能可重构且具有高集成度、高密度和高性能等特点，因而得到了迅猛发展。FPGA芯片所包含的资源越来越丰富，可实现的功能也越来越强，这使得FPGA在电子电路设计中越来越重要。目前FPGA已经渗透到人们日常生活的各个方面，在手机、电视、数码相机、洗衣机、电冰箱、空调，甚至电饭锅、手表里，都有它们的身影。在工业自动化控制、通信、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事设备、消费类电子产品等领域更是它们的天下。
2.4 DS18B20温度传感器
2.4.1DS18B20特性介绍
DS18B20数字式温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同，它采用集成芯片，单总线技术，能够有效地减小外界的干扰，提高测量的准确性或者精度，同事，它可以直接将温度信号转化成串行数字信号提供给微处理器，由于接口简单，使得数据传输和处理更加简单化，它是部分功能电路的集成，使得总体设计更加简洁，有效地降低了成本，在搭建与焊接电路时，更加省时省力，调试起来也十分方便，从而大大缩短了研发周期。DS18B20的主要特征：
1.采用单总线接口方式与微处理器连接时，仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。单总线具有经济性好、抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场测温，使用方便；
2.测量范围宽，精度高，DS18B20的测量范围是-55℃~+125℃；在-10℃~85℃范围内，精度为±0.5℃；
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