基于FPGA的远程控制设计系统

陈玲君

摘要：系统主要研究了一种基于FPGA的远程控制设计系统，以FPGA为基础，结合各种传感器，如温度传感器、图像传感器等，通过FPGA把数据采集过来，然后通过总线将数据传至上位机上。该系统具有性价比高、稳定性好、体积小等优点，并可以拓展其他传感器满足不同的需要。

关键词：FPGA；传感器；远程控制

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0203-02

远程控制是自动测控系统的主要功能之一，广泛应用于生产生活的各个领域，比如智能家居，又能用在环境恶劣的场所，比如矿井、强核磁辐射等。目前市场上嵌入式远程控制系统大多采用ARM作为控制芯片。也有采用单片机的，主要是价格低廉等因素。

基于FPGA的嵌入式系统设计融合了单片机和数据处理两者的优点。单片机的特点决定了其擅长于控制，而数据处理（DSP）的内部结构决定了其较强的数据处理能力。但是FPGA正处在发展完善阶段，还没有大规模应用到生产生活中，目前经过近几年的发展，已经在数字通信、信号处理等领域有了出色表现。

1 系统硬件设计

本系统的总体方案如图1所示。主要是由主控FPGA、外围传感器、显示模块和存储模块组成。通过数字图像传感器和温度传感器获得现场关键设备的图像信号和温度，然后分别通过USB接口和SPI接口实时或定时地传送到FPGA中，经过FPGA处理后通过串行RS-485总线送到监控终端的PC机上实现监控，最后通过LCD显示出来，同时存储数据。

1.1 FPGA核心控制模块

核心控制模块采用的是Altera公司推出的Cyclone系列芯片EP1C6F256C6，芯片有26060个逻辑单元、64个存储容量为4 KB的RAM块、2个锁相环，最大用户输入输出引脚数为301个。芯片具有很高的性价比，具有低功耗、高密度和低成本的优势。它是本系统的核心部分，可以完成系统大部分功能并协调整个系统的工作。

1.2 信息采集模块

本系统采集主要是温度和图像两个关键参数。其中温度传感器模块是由数字集成传感器DS18B20和热电偶两部分组成，以满足负责的温度采集和监控系统的设计需求。其中DS18B20是一款常用的数字式温度传感器，容易与FPGA控制器接口相连，能够及时迅速地测得环境温度，并且具有很强的电磁抗扰性，能够适应较为复杂和恶劣的工作环境，且具有高可靠性的优点。

图像采集模块由SL811HS USB主机控制器和WEBEYE2000 USB接口摄像头组成。USB控制器SL811HS是Cypress公司的嵌入式USB接口芯片，支持USB1.1的全速和低速设备。提供USB主机的硬件接口及总线管理机制，片内集成SIE、USB收发器和根Hub，能够完成嵌入式USB主机所需的功能。其中SL811HS工作电压为3 V-3.6V。

1.3 电源电路

本设计中的主控器件的輸入输出接口电压为3.3V，内核电压降到1.5V，因此要把5V转成1.5V，在电路中涉及到其他模块与控制器相连接的接口电压必须为3.3V，因此5V得转成3.3V。其中5V转为1.5V的电路如图2所示。

1.4 通信模块

通信模块分为两部分，其中温度传感器通过SPI接口进行传输，图像传感器部分通过USB接口进行传输的，而主控数据是通过RS-485接口，把处理好的数据传至上位机。

1.5 显示模块

系统的显示部分采用液晶显示，具体型号用常见的LM016；部分采用PC端，直接通过RS-485将数据传至电脑端。

2 软件设计

本系统的软件设计采用C语言编写。

系统启动后，进行初始化工作，初始化程序主要完成初始化DMA通道及清FIFO控制接口的FIFO缓冲器等。随后系统进入主循环状态，并检测按键。当检测到DETECT时，启动FIFO控制接口开始保存数据，当检测到data avaible有效时，启动一次DMA传输。如此循环，直到检测到SAVE DONE为止，就实现了图像、温度数据的采集功能。

2.1 温度采集模块

温度采集模块采用SPI接口进行传输。温度采集模块的流程图如图3所示。

2.2 图像采集流程图

图像模块采用USB接口进行传输。图像采集模块的流程图如图4所示。

3 结语

基于FPGA的远程控制设计系统，具有很强的应用前景，在普通家庭、临时性作业场所等方面应用领域中。虽然在某些方面不如ARM系统，但是它具有性价比高、稳定性好、体积小等优点，并可以拓展其他传感器满足不同的需要，具有市场潜力和开发价值。

参考文献

[1]刘虹.基于FPGA的高速图像采集系统的研究与实现[J].工业控制计算机，2004， （08）：8-9.

[2]郑诗程，朱虹，武卫华.FPGA 与AVR 单片机的通讯与智能监控系统研究[J].自动化与仪表，2009（10）：13-17.

[3]陈俊宏.Embedded Linux嵌入式系统原理与实务[M].北京：中国铁道出版社，2004.endprint