数字电路课程设计报告
题目：FPGA控制ADC0809的温度采集及控制系统设计
学院：机电工程学院
专业： 自动化
姓名：XXXX
学号：04123137
指导老师：XXXX
时间：20## .9.4~20##.10.15
FPGA控制ADC0809的温度采集及控制系统设计
一、设计目的
温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域有着广泛积极的意义。如温室的温度控制等。另外随着数字电子技术的迅速发展，将模拟电量转换成数字量输出的接口电路A/D转换器是现实世界中模拟信号向数字信号的桥梁。在以往的A/D器件采样控制设计中，多数是以单片机或CPU为控制核心，虽然编程简单，控制灵活，但缺点是控制周期长，速度慢。单片机的速度极大的限制了A/D高速性能的利用，而FPGA的时钟频率可高达100MHz以上。本设计进行时序控制、码制变换，具有开发周期短，灵活性强，通用能力好，易于开发、扩展等优点。
二、设计的基本内容
本次设计主要是基于FPGA+VHDL的温度控制系统，可编程器件FPGA和硬件描述语言VHDL的使用使得数字电路的设计周期缩短、难度减少。设计采用模块化思路，包括四个模块FPGA控制ADC0809模块、分频模块、数据传输模块、元件例化模块,再加以整合实现整个系统，达到温度控制的目的。
基于FPGA的信号采集系统主要有：A/D转换器，FPGA，RS232通信。A/D 转换器对信号进行会采集，A/D 内部集成了采样、保持电路，可有效的降低误差，减少外围电路的设计，降低系统的功耗。A/D在接受到指令后进行采集，FPGA采集控制模块首先将采集到的通过A/D 转换城的数字信号引入FPGA，而后对数字信号送往算法实现单元进行处理，并存于FPGA内部RAM中。
温度测量图
FPGA控制ADC0809模块
VHDL程序
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity ad_control is
port(
d : in std_logic_vector(7 downto 0); --0809的8位转换数据输出
clk ,eoc : in std_logic; --clk是转换工作时钟
lock1,ale,start,oe,adda :out std_logic;
q : out std_logic_vector(7 downto 0)
);
end ad_control;
architecture rtl of ad_control is
type state is (s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6); --定义个状态子函数
signal current_state,next_state : state;
signal regl : std_logic_vector (7 downto 0);
signal lock : std_logic; -- 转换后数据输出锁存时钟信号
begin
adda ＜= '1';
lock1 ＜= lock;
process(current_state,eoc) --规定各状态工作方式
begin
case current_state is
when s0 =＞ ale ＜= '0';
start ＜= '0';
oe ＜= '0';
lock ＜= '0';
next_state ＜= s1;
when s1 =＞ ale ＜= '1';
start ＜= '0';
oe ＜= '0';
lock ＜= '0';
next_state ＜= s2;
when s2 =＞ ale ＜= '0';
start ＜= '1';
oe ＜= '0';
lock ＜= '0';
next_state ＜= s3;
when s3 =＞ ale ＜= '0';
start ＜= '0';
oe ＜= '0';
lock ＜= '0';
if (eoc = '1') then --检测eoc的下降沿
next_state ＜= s3;
else
next_state ＜= s4;
end if;
when s4 =＞ ale ＜= '0';start ＜= '0';oe ＜= '0';lock ＜= '0';if (eoc = '0') then --测试eoc的上升沿
next_state ＜= s4; else --eoc = '1'、表明数据转化结束
next_state ＜= s5;
end if;
when s5 =＞ ale ＜= '0';
start ＜= '0'; oe ＜= '1'; lock ＜= '0'; next_state ＜= s6;
when s6 =＞ ale ＜= '0'; start ＜= '0'; oe ＜= '1'; lock ＜= '1';next_state ＜= s0;
when others =＞ale ＜= '0'; start ＜= '0'; oe ＜= '0';lock ＜= '0';next_state ＜= s0;
end case;
end process;
process(clk) --状态转换进程
begin
if (clk 'event and clk = '1') then
current_state ＜= next_state;
end if;
end process;
process(lock) --数据锁存进程
begin
if (lock 'event and lock = '1' ) then
regl ＜= d;
end if;
end process;
q ＜= regl;
end rtl;
Flow Summary
仿真波形图
结果说明：在S0状态中的RESET为复位信号，在此状态下输出ALE＜='0'；START＜='0'；OE＜='0'；LOCK＜='0'；表示对ADC0809的初始化。在S1状态下输出ALE＜='1'；START＜='0'；OE＜='0'；LOCK＜='0'；其中ALE上升沿有效，此状态下模拟信号输入选通。在S2状态下，输出ALE＜='0'；START＜='1'；OE＜='0'；LOCK＜='0'；START信号有效，启动A/D转换。在S3状态下，输出ALE＜='0'；START＜='0'；OE＜='0'；LOCK＜='0'；在此状态中检测EOC的下降沿，如果EOC的下降沿来了则启动采样，否则，等待启动采样。在S4状态下，输出ALE＜='0'；START＜='0'；OE＜='0'；LOCK＜='0'；在此状态中检测EOC的上升沿，如果EOC的上升沿来了则停止采样，否则，采样周期中等待。在S5状态下，输出ALE＜='0'；START＜='0'；OE＜='1'；LOCK＜='0'；OE为高电平，则控制打开三态缓冲器，把转换好的8位数据结果输至数据总线。
在S6状态下，输出ALE＜='0'；START＜='0'；OE＜='1'；LOCK＜='1'；至此一次完整地采样控制结束。
2.分频模块
VHDL程序
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; --使用库函数
entity adcint is
Port ( clk : in std_logic; --系统时钟
clk1: out std_logic; --分频后的时钟输出
shuout: out std_logic_vector(7 downto 0)); --8位二进制输出端
end adcint;
architecture Behavioral of adcint is --结构体
begin
process(clk) --进程
variable cnt:integer range 0 to 49999999; --系统时钟为50MHZ
begin
if clk'event and clk='1' then
if cnt=500 then --分频系数为800
cnt:=0;
clk1＜='1';
else
cnt:=cnt+1;
clk1＜='0';
end if;
end if;
end process; --结束进程
shu:process(clk) --
variable cnt:integer range 0 to 49999999; --定义整型变量
variable p:std_logic_vector(7 downto 0):="00000000";
variable full:integer range 0 to 499; --定义整型变量
begin
if clk'event and clk='1' then
if full=640 then
full:=0;
p:=p+1;
else
full:=full+1;
end if;
end if;
if p="11111111" then --当P计数满后，清零重新开始计数
p:="00000000";
end if;
shuout＜=p;
end process shu;
end Behavioral;
波形仿真图
仿真结果说明：clk为系统时钟，所加频率为50MHZ；clk1为adc0809的控制时钟，分频系数500，频率为100khz;shuout为八位二进制输出。
数据传输模块
数据传输设计图
VHDL程序
library IEEE; --使用库函数
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; --使用程序包
entity trans is
PORT(clk:in std_logic;
reset:in std_logic; --复位
enable:in std_logic; --发送使能
datain:in std_logic_vector(7 downto 0); --发送十六进制代码
TxD:out std_logic); --发送端
end trans;
architecture Behavioral of trans is
signal TReg:Std_Logic_Vector(7 downto 0); --发送寄存器
signal SampleCnt:std_logic_vector(0 to 1);
begin
TReg＜=datain; --Rx Process
RxProc:process(clk,reset,enable)
variable BitPos:INTEGER range 0 to 9; --发送寄存器的位置
begin
if reset='0' then
BitPos:=0;SampleCnt＜="00";
elsif Rising_Edge(clk) then
if reset='1' then --复位
if SampleCnt="11" then SampleCnt＜="00";
else SampleCnt＜=SampleCnt+1; --从0到3每位计数
end if;
case BitPos is
when 0=＞ if SampleCnt="01" then --起始位
TxD＜='0'; --发送起始位
Bitpos:=BitPos+1; end if;
when 1=＞ if SampleCnt="01" then
TxD＜=Treg(0); --发送第1位
BitPos:=BitPos+1; end if;
when 2=＞ if SampleCnt="01" then
TxD＜=Treg(1); --发送第2位
BitPos:=BitPos+1;end if;
when 3=＞ if SampleCnt="01" then
TxD＜=Treg(2); --发送第3位
BitPos:=BitPos+1;
end if;
when 4=＞ if SampleCnt="01" then
TxD＜=Treg(3); --发送第4位
BitPos:=BitPos+1;
end if;
when 5=＞ if SampleCnt="01" then
TxD＜=Treg(4); --发送第5位
BitPos:=BitPos+1;
end if;
when 6=＞ if SampleCnt="01" then
TxD＜=Treg(5); --发送第6位
BitPos:=BitPos+1;
end if;
when 7=＞ if SampleCnt="01" then
TxD＜=Treg(6); --发送第7位
BitPos:=BitPos+1;
end if;
when 8=＞
if SampleCnt="01" then
TxD＜=Treg(7); --发送第8位
BitPos:=BitPos+1;
end if;
when 9=＞ if SampleCnt="01" then
TxD＜='1'; --发送第9位
BitPos:=BitPos+1;
end if;
end case;
else TxD＜='1';
BitPos:=0;
SampleCnt＜="00";
end if;
end if;
end process;
end Behavioral;
Flow Summary
波形仿真图
仿真结果说明：datain是数据输入，在这里我输入了十六进制数55，使能端enable和reset在置高电平1时使能端有效，数据发送出去，发送端TxD输出了55，因为输入端一直加入的是55，所以输出TxD周期性的，由仿真图可以看出明显的周期性。
元件例化模块将单个模块连接为整体（FPGA）
VHDL程序：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
entity FPGA is
port( CLK,EOC: in std_logic; --CLK为系统时钟；EOC为ADC0809转换结束信号输入FPGA
CLK1,START,ALE,OE: out std_logic; --CLK1为ADC0809工作时钟；START为转换启动信号；ALE为地址锁存信号；OE为数据输出控制信号；均从FPGA输出
D : in std_logic_vector (7 downto 0); --ADC0809输出的采样数据输入FPGA
ile:out std_logic; --数据锁存允许信号
cont:out std_logic; --控制信号（WR1、WR2、CS、Xfer）
Q: out std_logic_vector(7 downto 0); --经数据处理后转化为温度所对应的从FPGA输出的二进制数据
y:out std_logic_vector(7 downto 0);
se1:out std_logic_vector(6 downto 0);
se2:out std_logic_vector(6 downto 0);
ADDA:out std_logic;
ADDB:out std_logic;
ADDC:out std_logic;
LOCK1 : out std_logic; --寄存器锁存测试信号
q1:out integer range 0 to 255 ); --数据处理过程中的整型数据
end FPGA;
architecture b of FPGA is
component led_decoder is --led_decoder元件例化申明部分
port(a:in std_logic_vector(3 downto 0);
b:in std_logic_vector(3 downto 0);
seg1:out std_logic_vector(6 downto 0);
seg2:out std_logic_vector(6 downto 0));
end component;
component ADC0809 is --ADC0809元件例化申明部分
port( CLK,EOC: in std_logic;
CLK1,START,ALE,OE: out std_logic;
D : in std_logic_vector (7 downto 0);
ile:out std_logic;
cont:out std_logic;
Q: out std_logic_vector(7 downto 0);
a:out std_logic_vector(3 downto 0);
b:out std_logic_vector(3 downto 0);
y:out std_logic_vector(7 downto 0);
ADDA:out std_logic;
ADDB:out std_logic;
ADDC:out std_logic;
LOCK1 : out std_logic;
q1:out integer range 0 to 255);
end component;
signal s1: std_logic_vector(6 downto 0); --用于总的seg1与ADC0809的seg1连接
signal s2: std_logic_vector(6 downto 0); --用于总的seg2与ADC0809的seg2连接
signal u:std_logic_vector(3 downto 0); --用于ADC0809与led_decoder的a端口相连
signal v:std_logic_vector(3 downto 0); --用于ADC0809与led_decoder的b端口相连
begin
U0:ADC0809 port map(clk=＞clk,EOC=＞EOC,clk1=＞clk1,START=＞START,ALE=＞ALE,oe=＞oe,d=＞d,ile=＞ile,cont=＞cont,
q=＞q,a=＞u,b=＞v,y=＞y,ADDA=＞adda,addb=＞addb,addc=＞addc,lock1=＞lock1,q1=＞q1); --ADC0809元件例化部分
U1:led_decoder port map(a=＞u,b=＞v,seg1=＞s1,seg2=＞s2); ----led_decoder元件例化部分
se1＜=s1;
se2＜=s2;
end b;
Flow Summary
仿真波形图
仿真结果说明：CLK是系统所给频率为50MHZ，经128分频后CLK1为390.6KHZ.
2)ADDA,ADDB,ADDC分别是1,0,0表示选通通道一。
3）控制器发送有效的ALE信号，锁存该地址，以备转换该地址对应的模拟量通道上的模拟量。控制器随即发送START信号启动A/D转换，一旦转换启动，ADC0809会在EOC引脚上输出表示转换进行的低电平信号。待E0C变为高电平，表示转换已完成，此时控制器就可以发送OE信号，控制ADC0809将转换完的数据送到输出引脚上。如图所示，图中数据转换时间为183.99us。符合ADC0809工作时序图。
4)cont为低电平，ile为高电平，表示成为直通型连续反馈工作方式，两个寄存器均处于常通状态，两个寄存器的输出跟随数字输入而变化。即DAC0832处于直通型工作状态。
5）D为经ADC0809转换送来的二进制数据，图中给出“01111111”，q1为输出中间信号，和D值相同，Q为经数据转换后的输出温度，图中为24°C，表明当一个模拟量V0输入至ADC0809转换后得到的D经一系列的处理转化后得到的与该模拟量所对应的温度T=24°C。
6）y是经控制模块从FPGA输出到DAC0832的二进制值，由程序看出，当T为24°C 时，y输出为“00110011”，由时序图看出y的确为“00110011”，满足要求。
7）a，b为输出端口，将与数码管端口相连，图中看出a=“0010”b=“0100”即a代表十位2，b代表个位4.表示24°C。
与预期结果一致，元件例化成功。
执行电路图
设计心得
通过本次设计过程，是我对ADC0809有了一定的了解，大致懂得如何编写VHDL程序，并在看完QuartusII教程后，学会了在QuartusII上进行程序运行并且进行波形的仿真。
在设计中，利用硬件描述语言—VHDL编程时，曾经遇到过一些比较棘手的问题，编程总是出错，通过不断的查阅、思考，问题最终还是成功解决。通过看相关的书籍以及上网查资料学到了很多，了解了一项新的编程语言，总之本次设计实验过程收获很大，也很感谢中间过程同学的帮助
参考文献：
⑴ 杨颂华 冯毛官 孙万蓉 数字电子技术基础（第二版）[M]西安电子科技大学出版社2008
⑵侯伯亨顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路[M].西安:西安电子科技大学出版社.1999
⑶朱明程编著.FPGA原理及应该设计[M]. 北京:电子工业出版社.1994