基于nrf24L01及单总线技术的多点无线温度测量电路的下位机设计开题报告

1. 研究目的与意义

近年来，随着科学技术的不断发展，社会生产、生活水准有了很大的提高。尤其是工业领域，由于物联网、自动化等技术的应用、普及，很多测点监控要求检测数据更加精确，但同时要求监控工作不会变得繁琐。就以温度测量为例，温度是人们生活中一种最基本的环境参数,人们的生活与温度息息相关。例如，智能手环需要人体体温数据的反馈，微波炉、烤箱对食品温度的把握，冰箱、空调器等储藏调节设备离不开温度的设置与排放等等。温度的准确测量事关科学研究、安全、能源环境和民生健康等领域，因此研究温度的测量方法及其装置具有重要意义。

测量得到的温度的精度是工业生产中一个非常重要的性能指标，是产品性能的决定性因素。为了保证生产的安全性，必须取得当前温度并传送到平台进行分析和存储。在工业领域，传统的温度测量与传输方法是通过信号通道和复杂的布线和接口实现的，但这种方法弊端很多，在复杂环境下这种方法不仅布线困难，容易增加干扰，而且通信线路所需维护成本高，许多问题在有线传输中不能很容易地检测到，信号信道温度数据不准确，因此很难满足高温精密场合的要求。

近几十年来，微电子学和计算机科学的迅速发展给eda（电子设计自动化）行业带来了巨大的变化，电子系统已经从电路板级系统集成发展成为包括asic、fpga和嵌入系统的多种模式。同时由于半导体技术的快速发展，在现代数字系统设计中，现场可编程器件（fpga和cpld)的使用越来越广泛。而eda之所以能蓬勃发展的关键因素之一就是采用了硬件描述语言（hdl）描述电路系统，就fpga和cpld开发而言，比较流行的hdl主要有 verilog hdl、vhdl、ahdl等，其中vhdl和veriloghdl因适合标准化的发展方向而最终成为ieee标准。与vhdl相比，verilog hdl有个最大的优点：它是一种非常容易掌握的硬件描述语言，并且完成同一功能的veriloghdl的程序条数一般仅为vhdl的1/3。eda自顶向下的设计方法，从设计过程可以看出，从总体行为设计开始到最终逻辑综合、形成网络表为止，每一步都要进行仿真检查，这样有利于尽早发现系统设计中存在的问题，从而可以大大缩短系统硬件的设计周期。这也是hdl语言设计系统硬件的最突出的优点之一。

2. 研究内容和预期目标

本课题的研究内容是设计并制作一个以FPGA/CPLD为控制单元，并且采用数字式温度传感器DS18B20和无线模块nRF24L01为主要功能器件的多点温度测量电路中的下位机装置。该下位机通过nRF24L01模块以无线方式控制不同位置温度的自动测量，测量结果能由LCD实时显示，并能通过nRF24L01模块以无线方式按照相关数据传输协议自动发送给上位机装置。

本课题的预期目标为用Verilog HDL设计多点温度测量电路中的下位机装置，制作调试出多点温度测量电路中的下位机装置，与上位机装置联立实现多点温度无线测量功能。

3. 研究的方法与步骤

本课题设计一个以CPLD可编程逻辑器件为核心的多点温度测量下位机装置，以FPGA/CPLD为硬件开发环境，采用Verilog HDL程序设计课题软件部分。

硬件部分包括CPLD控制模块、nRF24L01无线传输模块、LCD显示模块。通过CPLD控制模块控制nRF24L01无线接收模式，控制LCD显示接收到的温度数据。

软件部分采用Verilog HDL程序设计，通过SPI总线协议制定主控SPI接口模块功能定义，通过nRF24L01收发工作流程制定其收发控制模块的功能要求，编写单总线温度传感器的接口模块和基于数字式温度传感器的数据处理模块的Verilog HDL程序。采用Quartus_II对各设计模块进行相应的功能仿真，并对仿真结果进行详细分析。最后设计顶层模块，结合上位机在硬件平台上进行系统调试。

4. 参考文献

[1]王金明.数字系统设计与verilog hdl.第7版[m].电子工业出版社,2019.

[2]蔡泽利,谭振江.物联网智能无线节点自动监控数据采集系统设计[j].现代电子技术,2018,041(004):183-186.

[3]刘晓东,吴佳琪,黄旭,等.基于fpga的多功能数据采集系统设计[j].传感器与微系统,2017(7):96-99.

5. 计划与进度安排

1. 第1-3周 查阅相关文献资料，研究多点无线温度测量的的基本原理、无线控制方式及相关技术的发展状况，分析总结并撰写开题报告。

3. 第4-5周 学习verilog hdl语言、fpga/cpld的软硬件的开发环境quartusⅡ等。

4. 第6-7周 设计并制作整体硬件电路。