陳玲君

摘要：系統(tǒng)主要研究了一種基于FPGA的遠程控制設計系統(tǒng)，以FPGA為基礎，結合各種傳感器，如溫度傳感器、圖像傳感器等，通過FPGA把數(shù)據(jù)采集過來，然后通過總線將數(shù)據(jù)傳至上位機上。該系統(tǒng)具有性價比高、穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點，并可以拓展其他傳感器滿足不同的需要。

關鍵詞：FPGA；傳感器；遠程控制

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0203-02

遠程控制是自動測控系統(tǒng)的主要功能之一，廣泛應用于生產生活的各個領域，比如智能家居，又能用在環(huán)境惡劣的場所，比如礦井、強核磁輻射等。目前市場上嵌入式遠程控制系統(tǒng)大多采用ARM作為控制芯片。也有采用單片機的，主要是價格低廉等因素。

基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計融合了單片機和數(shù)據(jù)處理兩者的優(yōu)點。單片機的特點決定了其擅長于控制，而數(shù)據(jù)處理（DSP）的內部結構決定了其較強的數(shù)據(jù)處理能力。但是FPGA正處在發(fā)展完善階段，還沒有大規(guī)模應用到生產生活中，目前經過近幾年的發(fā)展，已經在數(shù)字通信、信號處理等領域有了出色表現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。主要是由主控FPGA、外圍傳感器、顯示模塊和存儲模塊組成。通過數(shù)字圖像傳感器和溫度傳感器獲得現(xiàn)場關鍵設備的圖像信號和溫度，然后分別通過USB接口和SPI接口實時或定時地傳送到FPGA中，經過FPGA處理后通過串行RS-485總線送到監(jiān)控終端的PC機上實現(xiàn)監(jiān)控，最后通過LCD顯示出來，同時存儲數(shù)據(jù)。

1.1 FPGA核心控制模塊

核心控制模塊采用的是Altera公司推出的Cyclone系列芯片EP1C6F256C6，芯片有26060個邏輯單元、64個存儲容量為4 KB的RAM塊、2個鎖相環(huán)，最大用戶輸入輸出引腳數(shù)為301個。芯片具有很高的性價比，具有低功耗、高密度和低成本的優(yōu)勢。它是本系統(tǒng)的核心部分，可以完成系統(tǒng)大部分功能并協(xié)調整個系統(tǒng)的工作。

1.2 信息采集模塊

本系統(tǒng)采集主要是溫度和圖像兩個關鍵參數(shù)。其中溫度傳感器模塊是由數(shù)字集成傳感器DS18B20和熱電偶兩部分組成，以滿足負責的溫度采集和監(jiān)控系統(tǒng)的設計需求。其中DS18B20是一款常用的數(shù)字式溫度傳感器，容易與FPGA控制器接口相連，能夠及時迅速地測得環(huán)境溫度，并且具有很強的電磁抗擾性，能夠適應較為復雜和惡劣的工作環(huán)境，且具有高可靠性的優(yōu)點。

圖像采集模塊由SL811HS USB主機控制器和WEBEYE2000 USB接口攝像頭組成。USB控制器SL811HS是Cypress公司的嵌入式USB接口芯片，支持USB1.1的全速和低速設備。提供USB主機的硬件接口及總線管理機制，片內集成SIE、USB收發(fā)器和根Hub，能夠完成嵌入式USB主機所需的功能。其中SL811HS工作電壓為3 V-3.6V。

1.3 電源電路

本設計中的主控器件的輸入輸出接口電壓為3.3V，內核電壓降到1.5V，因此要把5V轉成1.5V，在電路中涉及到其他模塊與控制器相連接的接口電壓必須為3.3V，因此5V得轉成3.3V。其中5V轉為1.5V的電路如圖2所示。

1.4 通信模塊

通信模塊分為兩部分，其中溫度傳感器通過SPI接口進行傳輸，圖像傳感器部分通過USB接口進行傳輸?shù)?，而主控?shù)據(jù)是通過RS-485接口，把處理好的數(shù)據(jù)傳至上位機。

1.5 顯示模塊

系統(tǒng)的顯示部分采用液晶顯示，具體型號用常見的LM016；部分采用PC端，直接通過RS-485將數(shù)據(jù)傳至電腦端。

2 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計采用C語言編寫。

系統(tǒng)啟動后，進行初始化工作，初始化程序主要完成初始化DMA通道及清FIFO控制接口的FIFO緩沖器等。隨后系統(tǒng)進入主循環(huán)狀態(tài)，并檢測按鍵。當檢測到DETECT時，啟動FIFO控制接口開始保存數(shù)據(jù)，當檢測到data avaible有效時，啟動一次DMA傳輸。如此循環(huán)，直到檢測到SAVE DONE為止，就實現(xiàn)了圖像、溫度數(shù)據(jù)的采集功能。

2.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用SPI接口進行傳輸。溫度采集模塊的流程圖如圖3所示。

2.2 圖像采集流程圖

圖像模塊采用USB接口進行傳輸。圖像采集模塊的流程圖如圖4所示。

3 結語

基于FPGA的遠程控制設計系統(tǒng)，具有很強的應用前景，在普通家庭、臨時性作業(yè)場所等方面應用領域中。雖然在某些方面不如ARM系統(tǒng)，但是它具有性價比高、穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點，并可以拓展其他傳感器滿足不同的需要，具有市場潛力和開發(fā)價值。

參考文獻

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