基于QuartusⅡ的温度报警电路的设计

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山西电子技术２０１９年第３期
应用实践㊀
收稿日期:２０１９－０１－１８
作者简介:于新颖(１９８７￣)ꎬ女ꎬ河北唐山人ꎬ讲师ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向:自适应信号处理ꎮ
文章编号:１６７４￣４５７８(２０１９)０３￣０００８￣０３
基于ＱｕａｒｔｕｓＩＩ的温度报警电路的设计
于新颖
(山西大学商务学院信息学院ꎬ山西太原０３００３１)
摘㊀要:ＱｕａｒｔｕｓＩＩ是Ａｌｔｅｒａ公司为可编程逻辑器件的开发而配套的一个专门应用于电路设计及仿真方面的软件ꎮ温度报警电路在各种带有温度测量及控制的电路及产品中ꎬ都有所涉及ꎬ应用范围很广ꎮ本文充分利用ＱｕａｒｔｕｓＩＩ软件的优势ꎬ结合图形输入方式和文本输入方式ꎬ在ＱｕａｒｔｕｓＩＩ软件中完成温度报警电路的设计并对设计的电路进行了仿真验证ꎮ结果表明ꎬ此方法设计的温度报警电路能实现预期功能ꎬ并可下载到硬件ＦＰＧＡ开发板中ꎬ完成后续电路及产品的设计ꎬ所以具有较高的应用价值ꎮ
关键词:ＱｕａｒｔｕｓＩＩꎻ混合输入ꎻ比较电路中图分类号:ＴＰ７０１㊀㊀文献标识码:Ａ
０㊀引言
如今ꎬ伴随着科技和经济的双重快速发展ꎬ大家对生活质量及生产安全的关注和要求也变得越来越高ꎮ温度报警电路可实现对温度的测量并对后续温度的控制方向给予引导[１]ꎬ所以不论是在常见的电子电路的设计中[２]ꎬ还是在成熟的智能家居的产品中ꎬ温度报警电路都得到了广泛的关注和应用[３]ꎮ
温度报警电路的实现方式和仿真测试手段多种
多样ꎮ但究其本质ꎬ主要是通过不同精度的温度传感器[４]采集当前环境下的温度数值ꎬ然后通过自带的或者外接的ＡＤ转换电路ꎬ将温度的模拟信号形式转换成数字信号形式ꎬ并将此二进制数值输入到数值比较器中ꎬ与之前设定好的温度阈值进行比较ꎮ当测得的温度小于设定的阈值时ꎬ温度报警电路不加以报警ꎬ继续检测ꎻ当测得的温度与设定的阈值相等时ꎬ温度报警电路即可判断当前温度已到达峰值临界状态ꎬ可驱动蜂鸣器进行报警ꎬ提示后续对温度加以控制ꎮ
据其原理可知ꎬ温度报警电路设计过程中ꎬ主要核心部件为数值比较器的设计ꎬ将数值比较器的输出接到蜂鸣器或者ＬＥＤ灯上ꎬ即可完成温度报警电路的设计ꎮ数值比较器的设计方案较多ꎬ为了充分
体现ＱｕａｒｔｕｓＩＩ软件的设计优势ꎬ本文采用数据选择器和译码器级联的方式完成温度报警电路的设计ꎮ利用ＱｕａｒｔｕｓＩＩ软件ꎬ分别在图形输入界面设计译码电路和文本输入界面设计数据选择器ꎬ并将二者最终在图形界面实现整体电路的连接ꎬ从而实现混合模式的开发ꎮ
１㊀ＱｕａｒｔｕｓＩＩ设计步骤介绍
ＱｕａｒｔｕｓＩＩ软件的设计流程ꎬ整体上包括设计输
入－>综合－>仿真－>适配－>下载－>硬件调试等六大步骤ꎮ
１)设计输入
即将设计理念输入到计算机中ꎮＱｕａｒｔｕｓＩＩ软件支持两种设计输入方式:图形输入和文本输入ꎮҢ图形输入:将要设计和仿真的电子系统以原理图的形式呈现出来ꎮ这种开发方式和常见的绘图软件如ｐｒｏｔｅｌ及ＡＤ等比较相似ꎮ开发手段简单㊁开发界面明了ꎬ但是因为其主要依托库里自带的元器件ꎬ所以开发过程中一旦遇到某些元器件是库里没有的ꎬ便再难继续下去ꎮ
Ң文本输入:将要设计和仿真的电子系统以文
本代码的形式呈现出来ꎮ其代码编写语言为硬件描述语言ꎬ常见的有ＶＨＤＬ㊁ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ㊁ＳｙｓｔｅｍＶｅｒｉｌｏｇ
和ＳｙｓｔｅｍＣꎬ其中ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ入门简单ꎬ应用较广ꎮ这种开发方式主要是通过硬件描述语言完成电路的编程设计ꎮ开发过程中一旦掌握了硬件描述语言的相关语法知识ꎬ便基本不受具体电路的限制ꎬ通用性较强ꎻ但是由于需要编程ꎬ所以对初入门人员来说具有一定的难度ꎮ
Ң混合输入:混合输入方式是上面两种设计输
入方式的结合ꎮ其主要原则是库里自带的元器件就直接选用图形输入方式来设计这部分电路ꎻ库里没有的元器件就采用文本输入方式来设计ꎬ并将其生成自定义的元器件ꎮ最后在图形开发界面实现电路的级联ꎮ这种开发方式有效结合了上述两种的优点㊁避免了其弊端ꎬ所以可高效的实现电子系统的设计ꎮ
２)综合
综合是ＱｕａｒｔｕｓＩＩ设计流程中的核心环节ꎬ它可以将常见的文本输入方式中的自然语言一步步转化ꎬ经过自然语言综合㊁行为综合㊁逻辑综合㊁版图或结构综合ꎬ最后转化成底层的㊁便于具体实现的模块组合的装配ꎮ
３)仿真
仿真环节是电路设计过程中至关重要的一步ꎮＱｕａｒｔｕｓＩＩ软件包括功能仿真和时序仿真ꎬ可以分别从逻辑功能及器件延时等方面帮助我们了解所设计的电路是否能实现预期功能ꎮ
适配㊁下载及硬件调试主要是考虑到若将所设计的电子系统下载到硬件中ꎬ软硬衔接及测试部分ꎮ２　温度报警电路的设计
本文采用译码电路和数据选择器电路级联的方式完成温度报警电路的设计ꎮ温度传感器[５]采集进来的二进制数值给到译码电路中ꎬ译码结果再送到数值比较器中ꎬ若当前温度数值与设定阈值相等ꎬ则数据选择器输出高电平ꎬ可驱动蜂鸣器发声或者ＬＥＤ发光从而实现报警ꎬ表示当前测得温度已到达设定的温度阈值ꎮ
１)图形输入方式设计译码电路
本文采用７４ＬＳ１５４这种４－１６线译码器完成译码电路ꎮ因为ＱｕａｒｔｕｓＩＩ元件库自带这种元器件ꎬ所以直接在图形开发界面调用７４ＬＳ１５４即可ꎮ
图１㊀图形方式设计译码电路
２)文本输入方式设计数据选择器电路
ＱｕａｒｔｕｓＩＩ元件库中没有１６选１的数据选择器ꎬ所以可自行通过Ｖｅｒｉｌｏｇ语言编程ꎬ实现数据选择器的设计ꎬ其程序代码如图２所示ꎮ
图２㊀数据选择器的Ｖｅｒｉｌｏｇ程序
通过Ｆｉｌｅ－－>ＣｒｅａｔｅøＵｐｄａｔｅ－－>ＣｒｅａｔｅＳｙｍｂｏｌＦｉｌｅｓＦｏｒＣｕｒｒｅｎｔＦｉｌｅ将以上１６选１数据选择器程序生成可调用的元件符号ꎬ用于后续电路的级联ꎮ其生成的１６选１数据选择器符号如图３所示
ꎮ
图３㊀生成的数据选择器元件符号３)混合方式设计温度报警电路
通过译码电路和数据选择电路构成的温度报警电路如图４所示ꎮ将输出Ｑ端接到蜂鸣器或ＬＥＤ灯上ꎬ即可实现温度阈值的声光报警ꎮ
９
㊀第３期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀于新颖:基于ＱｕａｒｔｕｓＩＩ的温度报警电路的设计
为了对以上设计电路的功能加以验证ꎬ本文通过ＱｕａｒｔｕｓＩＩ软件进行了功能仿真ꎬ其结果如图５所示ꎮ
图４㊀温度报警电路
图５㊀温度报警电路的仿真结果
３㊀结果分析
通过混合设计方式ꎬ最终在ＱｕａｒｔｕｓＩＩ中完成了温度报警电路的设计和仿真ꎮ仿真结果表明ꎬ假设设定的温度阈值为１１１０ꎬ那么当ＤＣＢＡ端口采集进来的数值没有达到阈值时ꎬ输出Ｑ一直为低电平ꎬ不会产生声光报警ꎻ而当采集的温度值达到１１１０的阈值时ꎬ输出Ｑ为高电平ꎬ可进行声光报警提示ꎮ仿真结果与电路预期功能相符ꎮ４㊀结论
本文通过混合输入方式ꎬ既在设计过程中通过直接调用元器件体现了图形输入方式的简便性ꎬ又通过编写程序解决了库中不存在的元器件的调用问题ꎬ所以设计输入方式比较合理ꎮ灵活运用多种开发方式ꎬ这对后续更为复杂的电路也提供了一种设计思路ꎻ另外ꎬ温度报警电路可下载到ＦＰＧＡ硬件中ꎬ从而广泛应用于各个智能电子产品的设计中ꎬ所以具有一定的实用价值ꎮ
参考文献
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ＤｅｓｉｇｎｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＡｌａｒｍＣｉｒｃｕｉｔＢａｓｅｄｏｎＱｕａｒｔｕｓＩＩ
ＹｕＸｉｎｙｉｎｇ
(ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬＢｕｓｉｎｅｓｓＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｈａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＴａｉｙｕａｎＳｈａｎｘｉ０３００３１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＱｕａｒｔｕｓＩＩｉｓＡｌｔｅｒａ'ｓｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｄｅｖｉｃｅｓ.Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌａｒｍｃｉｒｃｕｉｔｉｓｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｖａｒｉｏｕｓｃｉｒｃｕｉｔｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｓｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅ￣ｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌꎬａｎｄｈａｓａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ.ＴｈｉｓｐａｐｅｒｍａｋｅｓｆｕｌｌｕｓｅｏｆｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆＱｕａｒｔｕｓＩＩｓｏｆｔｗａｒｅꎬｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｇｒａｐｈｉｃｉｎｐｕｔｍｏｄｅａｎｄｔｅｘｔｉｎｐｕｔｍｏｄｅꎬｉｔｃｏｍｐｌｅｔｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌａｒｍｃｉｒ￣ｃｕｉｔｉｎＱｕａｒｔｕｓＩＩｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｃｉｒｃｕｉｔ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌａｒｍｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｃａｎｂｅｄｏｗｎｌｏａｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅＦＰＧＡｄｅｖｅｌｏｐ￣ｍｅｎｔｂｏａｒｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｓꎬｓｏｉｔｈａｓｈｉｇｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅ.
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