單片機(jī)和FPGA的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)

溫度對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防事業(yè)均有不同程度的影響。電力設(shè)備的故障有多種多樣，但大多數(shù)都伴有發(fā)熱的現(xiàn)象，一次事故損失巨大；紡織、食品、煙草等工業(yè)中，溫度過高容易使產(chǎn)品變質(zhì)，電子儀器也容易出故障；溫室栽培和工業(yè)生產(chǎn)中，若不控制溫度，將嚴(yán)重影響產(chǎn)量和質(zhì)量。還有很多領(lǐng)域的溫度可能較高或較低，人無法靠近或現(xiàn)場無需人力來監(jiān)控。傳統(tǒng)的溫度測量方式周期長，不能實時監(jiān)測，而且測量員必須到現(xiàn)場進(jìn)行測量和啟動功率設(shè)備來調(diào)整溫度，工作效率非常低，且不便于管理。為此設(shè)計了這套遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，坐在辦公室里就可以對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，又方便又節(jié)省人力。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本設(shè)計是基于單片機(jī)和NiosⅡ軟核的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用Dallas單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，打破了傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶再通過A／D轉(zhuǎn)換采集溫度的思路。用Atmel公司的FLASH單片機(jī)AT89S51對數(shù)字信號進(jìn)行處理和控制，通過RS 232串口傳到以NiosⅡ構(gòu)成的嵌入式處理機(jī)中對溫度進(jìn)行監(jiān)視與報警。Nios II的嵌入式Web服務(wù)器使用戶可以通過IE瀏覽器瀏覽存儲在FLASH芯片中的網(wǎng)頁，由于CPU本身是以軟核的方式實現(xiàn)，其功能可根據(jù)需要進(jìn)行定制，非常靈活。



2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 對DS18B20的簡單介紹和使用說明

DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點，特別適合于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理，而且每片DS18B20都有惟一的產(chǎn)品號并可存入其ROM中，在構(gòu)成大型溫度測控系統(tǒng)時單線上可掛多個DS18B20芯片。從DS18B20讀出或?qū)懭隓S18B20信息僅需要一根口線，共讀寫及溫度變換的功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。DS18B20能提供9位溫度讀數(shù)，它無需任何外圍硬件即可方便地構(gòu)成溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。單片機(jī)控制DS18B20完成溫度的采集過程必須經(jīng)過初始化、寫操作、讀操作3個步驟，而且必須有嚴(yán)格的時間間隙。

2.2 NiosⅡ處理器的說明

Altera公司的NiosⅡ處理器是一種用戶可隨時配置和構(gòu)建的32位指令集和數(shù)據(jù)通道的嵌入式系統(tǒng)微處理器IP核，采用Avalon總線結(jié)構(gòu)通信接口，帶有增強(qiáng)的內(nèi)存調(diào)試和軟件功能。LWIP是一種專門針對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，支持因特網(wǎng)信息控制協(xié)議(ICMP)，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)，動態(tài)主機(jī)分配協(xié)議(DHCP)，地址解析協(xié)議(ARP)以及對應(yīng)用程序提供的標(biāo)準(zhǔn)Socket接口，因而可以完成傳統(tǒng)的TCP／IP協(xié)議的大部分功能，資源占用卻比TCP／IP協(xié)議小，所以非常適合以NiosⅡ處理器為核心的系統(tǒng)。基于以上考慮，嵌入式Web服務(wù)器以NiosⅡ處理器為核心，LWIP為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實現(xiàn)簡單的網(wǎng)頁瀏覽功能。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽存儲在FLASH中的網(wǎng)頁。

2.3 硬件電路設(shè)計說明

本系統(tǒng)硬件電路包括單片機(jī)溫度采集電路、電平轉(zhuǎn)換電路及基于NiosⅡ嵌入式上位機(jī)系統(tǒng)。

2.3.1 溫度采集電路

溫度采集電路主要由DS18B20和單片機(jī)構(gòu)成，如圖2所示。系統(tǒng)以8051單片機(jī)(U1)作為核心；C1，C2和Y1組成時鐘電路，晶振為12 MHz；S1，C12和R3組成復(fù)位電路；U1的P1.0接一個發(fā)光二極管，用于程序執(zhí)行指示燈；R5為限流電阻；DQ接到8051的P2.1端；R1為信號和5 V電源之間的上拉電阻。



2.3.2 電平轉(zhuǎn)換電路

單片機(jī)與上位機(jī)的通信電路如圖3所示。8051單片機(jī)本身提供了一組全雙工串行傳輸接口，由TXD引腳來傳送串行數(shù)據(jù)而由RXD引腳來接收數(shù)據(jù)，可是其工作邏輯電平皆為TTL電平(0 V，5 V)。所以單片機(jī)與PC之間的數(shù)據(jù)通信必須經(jīng)過RS 232信號(+12 V，-12 V)電平的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)使用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，只要加4只電容就能完成接口電平的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)的11腳(TXD)接232的10腳，單片機(jī)的10腳(RXD)接232的9腳。與上位機(jī)連接的RS 232-C接口采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。電源部分采用市售的9 V直流穩(wěn)壓電源，經(jīng)7805后濾波穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的5 V電源。



2.3.3 基于NiosⅡ嵌入式上位機(jī)

系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：包括NiosⅡ軟核CPU、操作系統(tǒng)使用的定時器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧使用的定時器、CPU同外圍設(shè)備的接口(Avlaon總線)；EPCS4用來在上電時對FPGA進(jìn)行配置；FLASH主要用來存放軟件代碼以及一些需要保存的參數(shù)；SRAM用來在系統(tǒng)運(yùn)行時的代碼和數(shù)據(jù)存儲；網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用Smsc公司的LAN91C111芯片作為網(wǎng)絡(luò)接口。該器件是一個以太網(wǎng)控制器，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)7層協(xié)議棧中的傳輸層和MAC層的功能。另外，它具有10／100 Mb／s自適應(yīng)、雙工／半工自適應(yīng)等功能，有很好的網(wǎng)絡(luò)兼容性。采用串口UART和單片機(jī)通信。利用QuartusⅡ中的SOPC Builde構(gòu)建的CPU如圖4所示。



3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計

單片機(jī)控制程序設(shè)計框圖如圖5和圖6所示。

串口中斷程序功能為接收由上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)采集周期以及開始、停止指令。溫度信號濾波通過軟件實現(xiàn)。濾波算法采用加權(quán)平均值法，即對最新檢測到的N個溫度信號序列去除最大值和最小值，并取加權(quán)平均運(yùn)算。



4 基于NiosⅡ的Web服務(wù)器的實現(xiàn)

把構(gòu)建好的CPU及相應(yīng)的模塊進(jìn)行分析引腳分配、綜合后再進(jìn)行編譯，用NiosⅡIDE(集成開發(fā)環(huán)境)通過移植實時操作系統(tǒng)μCLinux來實現(xiàn)嵌入式實時多任務(wù)控制系統(tǒng)，開發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)頁并進(jìn)行服務(wù)器移植和配置。本系統(tǒng)采用μCLinux下的Boa。Boa是一個單線程的HTTP服務(wù)器，它不同于其它傳統(tǒng)的Web服務(wù)器，不為每個連接創(chuàng)建一個進(jìn)程，只有當(dāng)CGI程序運(yùn)行時才創(chuàng)建一個新的進(jìn)程。通過移植Boa來實現(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)的Web服務(wù)器功能，最后通過編寫CGI程序并結(jié)合Flash動畫實現(xiàn)了動態(tài)Web交互功能。

5 結(jié)語

采用AT89S51系列單片機(jī)、傳感器DS18B20和NiosⅡ設(shè)計的遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)新穎、電路簡單、體積小和控制方便等優(yōu)點。可以廣泛用于電站、學(xué)校、醫(yī)院等相關(guān)重點設(shè)備的溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控。也適用于人體無法接近的高溫或危險場所的溫度監(jiān)控。如果變換傳感器稍加改變也可以成為其他參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，如壓力、濕度或瓦斯等。