FPGA应用技术 (2).pdf

【FPGA应用技术详解】 在本文中，我们将深入探讨基于FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）的射频热疗系统设计，该系统结合了高精度数字温度传感器DS18B20，以实现精准的温度测量与控制。 1. **工程背景** 热疗是一种利用物理能量（如微波、射频和超声波）提升组织温度以治疗病变细胞的方法。在41℃以上的温度区域内，每一度温差都可能导致细胞存活率的显著变化，因此精确的温度测量至关重要。传统的模拟温度传感器（如热敏电阻）存在非线性、参数不一致和更换时的调试问题。而基于CPU或单片机的控制系统虽然便于软件操作，但速度较慢且可靠性不足。为解决这些问题，设计团队选择了DS18B20数字温度传感器和FPGA，后者以硬件方式实现控制，提高了可靠性和效率。 2. **设计思路** 设计中采用了射频信号（0.5MHz）进行加热，通过二极板容性方式。FPGA作为核心控制器，接收设定温度并控制加热过程。DS18B20传感器实时测量温度并反馈给FPGA，FPGA通过比较测量值与设定值来调整500Hz调制信号的占空比，从而控制极板加热功率。热疗仪的技术参数包括：56V功率电源电压，0.5MHz的工作频率，以及0~63℃的温度测量范围，精度±0.1℃。 3. **硬件实现** 硬件部分主要由FPGA（Altera公司的ACEX 1K系列EP1K30TC144-3）、配置电路、电源电路、光耦隔离电路、驱动电路、控制面板和显示单元组成。FPGA的时钟信号由20MHz的石英晶体提供，电源电路提供2.5V和3.3V电压，控制面板则由指拨开关和按钮构成，用于设定温度和显示控制。 4. **源代码** 源代码中展示了分频模块的设计，用以生成不同频率的时钟信号。`div_clk_1`实体接收一个20MHz的输入时钟，然后输出1MHz、500kHz、10kHz和100Hz的时钟信号，这是FPGA控制系统中不可或缺的部分，用于同步和定时各个功能模块。 这个基于FPGA的射频热疗系统通过结合DS18B20传感器实现了精确的温度测量和控制，克服了传统方案的局限性，提高了热疗的可靠性和效率。这种设计不仅适用于医疗设备，也展示了FPGA在精密控制领域的广泛潜力。通过FPGA的可编程特性，系统可以灵活地适应不同的应用需求，简化调试过程，并减小硬件体积，这些都是现代电子设计的重要考量因素。