基于FPGA的病房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、題 目：基于fpga的病房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于fpga的病房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)摘要病房環(huán)境舒適度是現(xiàn)代醫(yī)院整體服務(wù)質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，而病房環(huán)境參數(shù)的有效測(cè)量，則是評(píng)價(jià)病房環(huán)境的必要前提。早期對(duì)于病房環(huán)境監(jiān)測(cè)的方式比較簡(jiǎn)單，檢測(cè)的方法主要是對(duì)室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的單一測(cè)量，數(shù)據(jù)記錄也僅限于手工抄寫，這種方式不便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。本文提出了一種基于fpga病房環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)病房環(huán)境多種參數(shù)的有效監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可以有效提高病房環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率，為提高現(xiàn)代醫(yī)院的服務(wù)質(zhì)量和水平提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)途徑。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為本地檢測(cè)終端和遠(yuǎn)程上位機(jī)信息管理兩大部分。本地檢測(cè)終端采用actel公司的fusion

2、系列fpga作為控制核心，外圍選用先進(jìn)的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光照等室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。本地系統(tǒng)功能還包括數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)通信、超限報(bào)警以及病人呼叫服務(wù)等。上位機(jī)監(jiān)控畫面采用labview搭建，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、趨勢(shì)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。論文首先介紹了國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概況與測(cè)量的相關(guān)知識(shí)，然后詳細(xì)論述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程和軟件設(shè)計(jì)流程，最后給出了系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果，并對(duì)在設(shè)計(jì)中常遇到的一些問題的解決方法及經(jīng)驗(yàn)體會(huì)進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵字：fpga；病房環(huán)境；溫度、濕度、光照監(jiān)測(cè)；labviewthe hospital ward environmental monitoring s

3、ystem based on fpgaabstractthe hospital ward environment comfort level is one of modern hospital whole grade of service important evaluating indicators, but hospital ward environment parameter effective survey, is appraises the hospital ward environment the prerequisite. the early time is quite simp

4、le regarding the hospital ward environmental monitorings way, the examination method is mainly to environment parameter and so on indoor temperature, humidity sole surveys, the data record also is only restricted in the manual transcription, this way is not advantageous for the data the statistics a

5、nd the analysis. this article proposed one kind based on the fpga hospital ward environment examination system, realizes to the hospital ward environment many kinds of parameter effective monitors. the system may enhance the hospital ward environmental monitoring effectively the efficiency, to enhan

6、ce the modern hospital the grade of service and the level provides one kind effectively to realize the way. this system design divides into local examines the terminal and the long-distance superior machine information management two major parts. this locality examines the terminal to use actel corp

7、orations fusion series fpga to take the control core, the periphery selects the advanced sensor, realizes to indoor environment parameter and so on temperature, humidity, illumination data monitors. the local system function also includes the data the real time display, the data communication, ultra

8、 to limit the warning as well as the patient calls the service and so on. the superior machine monitoring meets uses the labview build, mainly realizes functions and so on data storage, trend curve demonstration, historical data inquiry. the paper first introduced the domestic and foreign correlatio

9、n techniques development survey and the survey related knowledge, then elaborated systems hardware design process and the software design flow in detail, finally has given systems debugging result, and to some question solution which and the experience often meets in the design realized that has car

10、ried on the summary.key words: fpga；hospital ward environment ；humiture、light monitor ；labview目錄摘要iabstractii第一章 引言11.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和意義11.2研究的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)手段11.2.1 verilog語言的特點(diǎn)11.2.2 eda工具的選擇及實(shí)現(xiàn)手段21.2.3 labview的特點(diǎn)21.3本章小結(jié)3第二章 測(cè)量原理42.1溫濕度以及光照度的相關(guān)知識(shí)42.2溫濕度、光照度的測(cè)量方法42.2.1溫度的測(cè)量方法42.2.2濕度的測(cè)量方法52.2.3光照度的測(cè)量方法52.3本章小結(jié)6第三

11、章 fpga的設(shè)計(jì)流程73.1 設(shè)計(jì)輸入73.2 設(shè)計(jì)綜合83.3 仿真驗(yàn)證93.4 布局布線93.5 下載驗(yàn)證103.6 本章小結(jié)10第四章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)114.1 設(shè)計(jì)思想114.2 設(shè)計(jì)過程124.2.1 fpga開發(fā)板簡(jiǎn)介124.2.2 傳感器的選型134.2.3 傳感器的電路設(shè)計(jì)194.2.4 系統(tǒng)時(shí)鐘芯片204.2.5 請(qǐng)求信息244.2.6 信息存儲(chǔ)264.2.7 液晶顯示264.2.8 通信傳輸284.3本章小結(jié)30第五章 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)315.1 系統(tǒng)的總體程序設(shè)計(jì)315.2 溫度傳感器ds18b20的程序設(shè)計(jì)315.3 濕度傳感器dht11的程序設(shè)計(jì)325.4 ad模塊的

12、程序設(shè)計(jì)335.5 時(shí)鐘芯片ds1302的程序設(shè)計(jì)345.6 lcd顯示程序設(shè)計(jì)355.7 請(qǐng)求信息的程序設(shè)計(jì)355.8 串口發(fā)送程序設(shè)計(jì)365.9 本章小結(jié)37第六章 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)386.1 虛擬儀器概述386.2 數(shù)據(jù)庫測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介386.3 數(shù)據(jù)庫的連接396.3.1 利用dsn連接數(shù)據(jù)庫406.3.2 利用udl連接數(shù)據(jù)庫416.4 系統(tǒng)程序的實(shí)現(xiàn)426.4.1 串口采集程序426.4.2 系統(tǒng)登錄446.4.3 帳戶管理446.4.4 數(shù)據(jù)查詢446.4.5 報(bào)表輸出456.4.6 udp發(fā)送466.5 程序的運(yùn)行476.5.1 用戶登錄476.5.2 帳戶管理486.5.3 采集

13、系統(tǒng)486.5.4 查詢系統(tǒng)496.5.5 報(bào)表輸出506.5.6 udp輸出516.5.7 幫助文件526.6 本章小結(jié)53參考文獻(xiàn)54附錄55致謝64第一章 引言1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和意義 隨著醫(yī)療服務(wù)的發(fā)展，“以病人為中心”的醫(yī)療服務(wù)模式已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)院改革與發(fā)展的主題。通過了解住院病人對(duì)病房環(huán)境的適度感評(píng)價(jià)，可以為改進(jìn)醫(yī)院的相關(guān)管理提供客觀依據(jù)。通過對(duì)3所醫(yī)院普外科住院病人的“住院病人對(duì)病房環(huán)境的適度感評(píng)價(jià)”調(diào)查問卷，了解住院病人對(duì)病房環(huán)境的適度感評(píng)價(jià)。結(jié)果3所醫(yī)院普外科住院病人對(duì)病房總體評(píng)價(jià)滿意率為66.2%，總體滿意評(píng)價(jià)對(duì)病人病情轉(zhuǎn)歸的影響無顯著性差異。結(jié)論是建議從住院病人的需求角

14、度出發(fā)，包括物質(zhì)環(huán)境的需求及患者的心理需求，探討影響住院病人對(duì)醫(yī)院、病房適度感評(píng)價(jià)的因素,以及提高住院病人對(duì)醫(yī)療服務(wù)的滿意程度。病房是與病人接觸程度最多的環(huán)境，病房的環(huán)境將在很大程度上有效的影響病人的康復(fù)情況。通過監(jiān)測(cè)病房的環(huán)境，可為改善病房環(huán)境提供一種有效的途徑。早期對(duì)于病房環(huán)境的檢測(cè)的方法比較簡(jiǎn)單，而且不便于統(tǒng)計(jì)、分析。檢測(cè)的方法主要是單個(gè)的溫度、濕度、光照等檢測(cè)設(shè)備，再由人手動(dòng)抄寫。這種效率十分低，而且工作量大。所以文章提出使用fpga來對(duì)病房的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、保存和查詢，還能降低設(shè)計(jì)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，大大提高監(jiān)測(cè)的效率，促進(jìn)醫(yī)院的現(xiàn)代化建設(shè)。1.2研究的內(nèi)容及

15、實(shí)現(xiàn)手段本論文的主要內(nèi)容包括：熟悉并應(yīng)用硬件描述語言verilog進(jìn)行設(shè)計(jì)；監(jiān)測(cè)病房的溫度、相對(duì)濕度和光照等；串口通信模塊的設(shè)計(jì)、上位機(jī)的設(shè)計(jì)。下位機(jī)設(shè)計(jì)使用eda工具，上位機(jī)的設(shè)計(jì)使用labview。1.2.1 verilog語言的特點(diǎn)veriloghdl(very high speed integrated circuithdl)是在應(yīng)用最為廣泛的c語言基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種硬件描述語言。verilog hdl簡(jiǎn)單而優(yōu)美，描述硬件單元的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易讀。在設(shè)計(jì)仿真中，所需要的功能模塊、層級(jí)結(jié)構(gòu)、測(cè)試向量以及人機(jī)交換等都可以用verilog來實(shí)現(xiàn)。veriloghdl不僅簡(jiǎn)單、規(guī)范，而且容易學(xué)習(xí)

16、和掌握。它非常類似于c語言編程。verilog既是一種行為描述的語言也是一種結(jié)構(gòu)描述語言。veriloghdl有以下特點(diǎn)：(1)支持從系統(tǒng)級(jí)到門級(jí)電路的描述，同時(shí)也支持多層次的混合描述；描述形式可以是結(jié)構(gòu)描述，也可以是行為描述，或者二者兼而有之；(2)既支持同步電路，也支持異步電路；支持傳輸延遲，也支持慣性延遲，可以更準(zhǔn)確地建立復(fù)雜的電路硬件模型；(3)支持過程與函數(shù)的概念，有助于設(shè)計(jì)者組織描述，對(duì)行為功能進(jìn)一步分類。1.2.2 eda工具的選擇及實(shí)現(xiàn)手段在設(shè)計(jì)中，ad模塊采用了actel公司的analog模塊ip(intellectual property)。該ip使用verilog hdl

17、語言進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，采用了全局同步設(shè)計(jì)的思想，具有良好的邏輯架構(gòu)，可方便地進(jìn)行功能模塊的擴(kuò)展及修改。設(shè)計(jì)外圍器件ip的選擇主要根據(jù)系統(tǒng)的采集信號(hào)來進(jìn)行選擇，因此設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)了一下幾種外圍器件：鍵盤掃描及l(fā)ed顯示電路接口、lcd顯示模塊的驅(qū)動(dòng)電路接口、兩路ad以及兩路溫濕度、兩路溫度、串口發(fā)送模塊。設(shè)計(jì)中用到的eda工具包括actel的libreo ide 8.4集成開發(fā)環(huán)境、synplify公司的synplify 9.6綜合工具以及actel的flashpro的下載工具。1.2.3 labview的特點(diǎn)labview是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器(ni)公司研制開發(fā)的，類似于c和basi

18、c開發(fā)環(huán)境，但是labview與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而labview使用的是圖形化編輯語言g編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與c和basic一樣，labview也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。labview的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、gpib、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。labview也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子vi)的結(jié)果、單步執(zhí)行等。虛擬儀器的主要特點(diǎn)有：(1)可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。(2)可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以

19、創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。 (3)用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 1.3本章小結(jié)本章對(duì)設(shè)計(jì)的目的和意義進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，然后敘述了設(shè)計(jì)中要使用的veriloghdl、eda、labview。使用eda工具中提供的一些ip核可以降低設(shè)計(jì)的難度、縮短設(shè)計(jì)周期，提高效率。第二章 測(cè)量原理2.1溫濕度以及光照度的相關(guān)知識(shí)溫度是表示物體冷熱程度的物理量，溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測(cè)量，而用來量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)(零點(diǎn))和測(cè)量溫度的基本單位。目前國(guó)際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)(f)、攝氏溫標(biāo)()、熱力學(xué)溫標(biāo)(k)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。濕度表示大氣干燥程度的

20、物理量。在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥皾穸取?。在此意義下，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點(diǎn)等物理量來表示；若表示在濕蒸汽中液態(tài)水分的重量占蒸汽總重量的百分比，則稱之為蒸汽的濕度。通常我們所說的環(huán)境的濕度就是相對(duì)濕度。單位體積空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量，稱作空氣的絕對(duì)濕度。相對(duì)濕度就是單位體積空氣中實(shí)際所含水蒸汽的質(zhì)量和同溫度下飽和狀態(tài)時(shí)所含水蒸汽的質(zhì)量百分比。它一般定義為空氣中水蒸汽的分壓ps與同溫下飽和水蒸汽分壓pb之比。光照度，即通常所說得勒克司度(lux)，表示被攝主體表面單位面積上受到的光通

21、量。1勒克司相當(dāng)于1流明/平方米，即被攝主體每平方米的面積上，受距離一米、發(fā)光強(qiáng)度為1燭光的光源，垂直照射的光通量。光照度可用照度計(jì)直接測(cè)量。光照度的單位是勒克斯，是英文lux的音譯，也可寫為lx。被光均勻照射的物體，在1平方米面積上得到的光通量是1流明時(shí)，它的照度是1勒克斯。2.2溫濕度、光照度的測(cè)量方法2.2.1溫度的測(cè)量方法溫度不能直接測(cè)定。它的測(cè)定是采用間接的手段，通過觀察另一種物質(zhì)一即所謂測(cè)溫介質(zhì)的物理特性變化的方法來確定。這種測(cè)量方法并沒有給測(cè)介質(zhì)溫度的絕對(duì)值，而僅僅是它和測(cè)溫介質(zhì)原始溫度相對(duì)的溫度差，這個(gè)原始溫度是制定溫標(biāo)時(shí)就被規(guī)定作為零度。為了測(cè)量時(shí)的方便，應(yīng)盡可能的選擇這樣的

22、物理特性，即它能隨溫度的改變而單值的變化，不受其它因素的影響，且比較易于精確測(cè)定適合這些要求的特性。如體積的膨脹、熱電勢(shì)的產(chǎn)生、電阻和輻射強(qiáng)度的變化等都被用作溫度測(cè)量的基礎(chǔ)，常用的測(cè)溫儀表有各種溫度計(jì)和溫度傳感器。例如，熱膨脹是溫度計(jì)、熱電偶、輻射溫度計(jì)、光高溫計(jì)等。在溫度測(cè)控系統(tǒng)中，除了高溫、低溫和測(cè)量精度高于0.1的高級(jí)測(cè)溫技術(shù)外，常溫范圍的溫度傳感測(cè)量和控制技術(shù)相當(dāng)成熟，可以直接選用，而且可選的測(cè)量方式也很多。2.2.2濕度的測(cè)量方法濕度測(cè)量技術(shù)中最準(zhǔn)確的方法是絕對(duì)濕度測(cè)量的稱重法，國(guó)際上普遍使用該法作為濕度基準(zhǔn)其次是作為二級(jí)檢定標(biāo)準(zhǔn)的阿斯曼通風(fēng)干濕計(jì)。但是這兩種方法都難以用于自動(dòng)化測(cè)控

23、系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)傳感測(cè)量。工程技術(shù)中常采用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度表示法和相應(yīng)的測(cè)量技。絕對(duì)濕度測(cè)量：也稱為水分或微弱水分測(cè)量技術(shù)，測(cè)量的是空氣體積中水分的直接含量，各種材料的含水量、電子器件封裝、火力發(fā)電煙氣、高壓電器保護(hù)氣體的測(cè)量等，所涉及的范圍相當(dāng)廣泛。對(duì)應(yīng)不同的工況環(huán)境、被測(cè)對(duì)象和性能價(jià)格比的要求，其測(cè)量方式種類也非常多。常用的有電容式、化學(xué)露點(diǎn)式，精度較高的有光學(xué)露點(diǎn)式和稱重、紅外、微波等測(cè)量方法。相對(duì)濕度測(cè)量：空氣的相對(duì)濕度所表達(dá)的是其中水氣接近飽和的程度，是指力為p，溫度為t時(shí)空氣中水氣的摩爾分?jǐn)?shù)與相同條件下純水表面的飽和水氣的摩爾分?jǐn)?shù)之比表示為%rh。2.2.3光照度的測(cè)量方法光

24、敏電阻器的電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。所以可以用它來檢測(cè)光照度。光電二極管在反向電壓作用下，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，光電流與光照度之間呈較好的線性關(guān)系。硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它可把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，核心部分是一個(gè)大面積的pn結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點(diǎn)接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當(dāng)二極管的管芯(pn結(jié))受到光照時(shí)，回路里有電流。2.3本章小結(jié)本章首先

25、介紹了一些與測(cè)量相關(guān)的知識(shí)，然后給出了溫度、濕度、光照的測(cè)量方法。這些方法是測(cè)量的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求選用合適的方法。第三章 fpga的設(shè)計(jì)流程在電子技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，fpga應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣。fpga可以通過軟件編程而對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計(jì)可以如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷。設(shè)計(jì)者在eda軟件平臺(tái)上，用硬件描述語言hdl完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。fpga設(shè)計(jì)分為設(shè)計(jì)輸入、綜合、功能仿真(前仿真)、實(shí)現(xiàn)、時(shí)序仿真(后仿真)、配置下載等六個(gè)步驟。設(shè)計(jì)流

26、程如圖3.1所示。圖3.1 fpga的設(shè)計(jì)流程圖3.1 設(shè)計(jì)輸入1.ip核的概念ip(intellectual property)，也就是知識(shí)產(chǎn)權(quán)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的ip包括有軟ip、固ip和硬ip。軟ip用計(jì)算機(jī)高級(jí)語言的形式描述功能塊的行為，但是并不涉及用什么電路和電路元件實(shí)現(xiàn)這些行為。軟ip的最終產(chǎn)品基本上與通常的應(yīng)用軟件大同小異，開發(fā)過程與應(yīng)用軟件也十分相象。軟ip增大了ip的靈活性和適應(yīng)性。固ip是完成了綜合的功能塊，有較大的設(shè)計(jì)深度，以網(wǎng)表的形式提交客戶使用。如果客戶與固ip使用同一個(gè)生產(chǎn)線的單元庫，ip的成功率會(huì)比較高。硬ip提供設(shè)計(jì)的最終階段產(chǎn)品：掩膜。隨著設(shè)計(jì)深度的提高，后續(xù)工序所

27、需要做的事情就越少，當(dāng)然，靈活性也就越少。本設(shè)計(jì)中用到的actel公司的fusion fpga芯片有豐富的ip核，常用的ip核有pll、adc、uart、sram等。合理的使用這些ip核可以降低設(shè)計(jì)的難度、縮短設(shè)計(jì)周期。2.設(shè)計(jì)輸入的方式設(shè)計(jì)輸入包括使用硬件描述語言hdl、狀態(tài)圖與原理圖輸入三種方式。hdl設(shè)計(jì)方式是現(xiàn)今設(shè)計(jì)大規(guī)模數(shù)字集成電路的良好形式。hdl語言描述在狀態(tài)機(jī)、控制邏輯、總線功能方面較強(qiáng)，使其描述的電路能以具體硬件單元較好地實(shí)現(xiàn)；而原理圖輸入在頂層設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通路邏輯、手工最優(yōu)化電路等方面具有圖形化強(qiáng)、單元節(jié)儉、功能明確等特點(diǎn)。常用方式是以hdl語言為主，原理圖為輔，進(jìn)行混合設(shè)計(jì)

28、以發(fā)揮二者各自特色。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求編寫verilog hdl代碼，然后進(jìn)行綜合、仿真、布局布線、下載驗(yàn)證。這種方法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)；重復(fù)部分工作；效率低。采用ip核復(fù)用技術(shù)可以降低成本、提高效率、縮短設(shè)計(jì)周期。本論文中采用了硬件描述語言hdl輸入與ip核復(fù)用相結(jié)合的方式完成了設(shè)計(jì)輸入。設(shè)計(jì)需要的某些模塊在開發(fā)環(huán)境中沒有，這些模塊使用原理圖輸入，使得硬件電路符合設(shè)計(jì)的要求。3.2 設(shè)計(jì)綜合綜合，就是針對(duì)給定的電路實(shí)現(xiàn)功能和實(shí)現(xiàn)此電路的約束條件，如速度、功耗、成本及電路類型等，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化處理，獲得一個(gè)能滿足上述要求的電路設(shè)計(jì)方案。也就是是說，被綜合的文件是hdl文件(或相應(yīng)文

29、件等)，綜合的依據(jù)是邏輯設(shè)計(jì)的描述和各種約束條件，綜合的結(jié)果則是一個(gè)硬件電路的實(shí)現(xiàn)方案，該方案必須同時(shí)滿足預(yù)期的功能和約束條件。對(duì)于綜合來說，滿足要求的方案可能有多個(gè)，綜合器將產(chǎn)生一個(gè)最優(yōu)的或接近最優(yōu)的結(jié)果。因此，綜合的過程也就是設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化過程，最后獲得的結(jié)構(gòu)與綜合器的工作性能有關(guān)。synplify和synplify pro是synplicity公司提供的專門針對(duì)fpga和cpld實(shí)現(xiàn)的邏輯綜合工具。該軟件提供的symbolic fsm compiler是專門支持有效狀態(tài)機(jī)優(yōu)化的內(nèi)嵌工具。synplify對(duì)電路的綜合包括三個(gè)步驟表示如下：1.hdl compilation：把hdl的描述編

30、譯成已知的結(jié)構(gòu)元素。2.optimization：運(yùn)用一些算法進(jìn)行面積優(yōu)化和性能優(yōu)化，使設(shè)計(jì)在滿足給定性能約束的前提下，面積盡可能的小。這里synplify進(jìn)行的是基本的優(yōu)化與具體的目標(biāo)器件技術(shù)無關(guān)。3.technology mapping：設(shè)計(jì)映射到指定廠家的特定器件上針對(duì)目標(biāo)器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化生成作為布局布線工具輸入的網(wǎng)表。3.3 仿真驗(yàn)證從廣義上講，設(shè)計(jì)驗(yàn)證包括功能與時(shí)序仿真和電路驗(yàn)證。仿真是指使用設(shè)計(jì)軟件包對(duì)已實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行完整測(cè)試，模擬實(shí)際物理環(huán)境下的工作情況。前仿真是指僅對(duì)邏輯功能進(jìn)行測(cè)試模擬，以了解其實(shí)現(xiàn)的功能否滿足原設(shè)計(jì)的要求，仿真過程沒有加入時(shí)序信息，不涉及具體器件的硬件特性，如延

31、時(shí)特性；而在布局布線后，提取有關(guān)的器件延遲、連線延時(shí)等時(shí)序參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的仿真稱為后仿真，它是接近真實(shí)器件運(yùn)行的仿真。modelsim是業(yè)界較好的仿真工具，其仿真功能強(qiáng)大，且圖形化界面友好，而且具有結(jié)構(gòu)、信號(hào)、波形、進(jìn)程、數(shù)據(jù)流等窗口。將fpga設(shè)計(jì)(以hdl方式)輸入后進(jìn)行編譯即可進(jìn)行前仿真。在仿真時(shí)可以編寫hdl激勵(lì)文件或執(zhí)行組模式方式。組模式方式類似批處理方式，可以連續(xù)執(zhí)行事先在文件中寫好的多個(gè)執(zhí)行命令，這對(duì)重新仿真或重復(fù)執(zhí)行多個(gè)命令特別有效。由modelsim進(jìn)行仿真，需要導(dǎo)出vhdl或verilog hdl網(wǎng)表。此網(wǎng)表是由針對(duì)特定fpga器件的基本單元組成的。除網(wǎng)表外，還需要

32、布局布線輸出的標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)文件(sdf)，將sdf文件加入仿真可以在窗口化界面設(shè)置加入，或通過激勵(lì)指定。3.4 布局布線綜合結(jié)果的本質(zhì)是由與、或、非門，觸發(fā)器，ram等基本邏輯單元組成的邏輯網(wǎng)表，它與芯片實(shí)際的配置情況還有較大的差距。此時(shí)使用fpga產(chǎn)商提供的工具，根據(jù)所選芯片的型號(hào)，將綜合輸出的邏輯網(wǎng)表適配到具體的fpga/cpld上，這個(gè)過程就叫做實(shí)現(xiàn)(implementation)，有時(shí)實(shí)現(xiàn)也直接稱為布局布線。所謂的布局布線也是指把綜合得到的網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為要實(shí)現(xiàn)的具體電路布線結(jié)構(gòu)。這個(gè)工作是由專用集成電路asic或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列fpga自動(dòng)布局布線工具完成的實(shí)現(xiàn)分為：翻譯(translate)

33、、映射(map)和布局布線(place&route)這三個(gè)步驟。因最新的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具是時(shí)序驅(qū)動(dòng)的，即在器件的布局布線期間對(duì)整個(gè)信號(hào)通道執(zhí)行時(shí)序分析，因此可以使用約束條件操作布線軟件，完成設(shè)計(jì)規(guī)定的性能要求。在布局布線過程中，可同時(shí)提取時(shí)序信息形成報(bào)靠。在實(shí)現(xiàn)過程中可以進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置。因其支持增量設(shè)計(jì)，可以使其重復(fù)多次布線，且每次布線利用上一次布線信息以使布線更優(yōu)或達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。本設(shè)計(jì)中采用的是actel公司的fusion fpga芯片，因此在實(shí)現(xiàn)中采用了actel的libero集成開發(fā)環(huán)境。libero將綜合網(wǎng)表和fusion fpga內(nèi)部邏輯很好地對(duì)應(yīng)起來，使得fpga內(nèi)部資源分配更加合理。3

34、.5 下載驗(yàn)證現(xiàn)在fpga/ic設(shè)計(jì)都朝向soc(system on chip，片上系統(tǒng))的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)的復(fù)雜都大大提高，如何保證這些復(fù)雜系統(tǒng)的功能是正確的成了至關(guān)重要的問題。 下載是在功能仿真與時(shí)序仿真正確的前提下，將布局布線后形成的文件下載到具體的fpga芯片中，也叫芯片配置。actel的fusion fpga支持上電即可運(yùn)行，掉電非易失，無需配置芯片。下載硬件上使用計(jì)算機(jī)的并口，軟件選用flshpro。3.6 本章小結(jié)本章對(duì)fpga設(shè)計(jì)的基本流程進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，設(shè)計(jì)的流程是設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)綜合、仿真驗(yàn)證、布局布線、下載驗(yàn)證。設(shè)計(jì)輸入是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)輸入的方式有很多種，比如veri

35、log hdl語言輸入、原理圖輸入、ip核。ip核是已經(jīng)設(shè)計(jì)成型的，參數(shù)可供修改，使用ip核可以減少設(shè)計(jì)輸入的工作量，提高設(shè)計(jì)的效率。第四章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)思想本系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)。下位機(jī)主要涉及病房?jī)?nèi)溫度、濕度、光照的測(cè)量與顯示，系統(tǒng)時(shí)間的顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?。系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)有四路，有兩路溫度測(cè)量使用溫濕度傳感器dht11，還有兩路溫度數(shù)據(jù)使用溫度傳感器ds18b20。系統(tǒng)的濕度數(shù)據(jù)有兩路，使用溫濕度傳感器dht11。光照測(cè)量使用光敏二極管，系統(tǒng)時(shí)鐘使用專門的時(shí)鐘芯片ds1302。數(shù)據(jù)的顯示采用液晶顯示器lcd1602。數(shù)據(jù)傳輸采用rs-232，報(bào)警采用蜂鳴器?；趂p

36、ga的病房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件連接示意圖如圖4.1所示，系統(tǒng)核心是fusion fpga。下位機(jī)的開發(fā)平臺(tái)選用了actel的fusion fpga。系統(tǒng)的硬件連接示意圖如圖4.1所示。光照傳感器為模擬式的傳感器，經(jīng)fpga的a/d轉(zhuǎn)換部分，得到光照數(shù)據(jù)。溫度、濕度測(cè)量使用數(shù)字式的傳感器，fpga通過對(duì)數(shù)字式的溫度、濕度傳感器進(jìn)行正確讀寫即可得到溫度、濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)超出上下限時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行報(bào)警。時(shí)鐘芯片為系統(tǒng)提供完整的時(shí)間內(nèi)容。lcd液晶顯示器的顯示內(nèi)容通過按鍵更改。當(dāng)fpga檢測(cè)到請(qǐng)求信息后，請(qǐng)求信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。下位機(jī)通過按鍵控制信息傳輸，上位機(jī)也可控制信息的傳輸。上位機(jī)可將接收的數(shù)據(jù)

37、實(shí)時(shí)顯示、存入數(shù)據(jù)庫、報(bào)警值設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)瀏覽、網(wǎng)絡(luò)查看等功能。圖4.1 基于fpga的病房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件連接示意圖4.2 設(shè)計(jì)過程4.2.1 fpga開發(fā)板簡(jiǎn)介fpga是英文fieldprogrammable gate array的縮寫，它是在pal、gal、cpld等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(asic)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。fpga的使用非常靈活，同一片fpga通過不同的編程數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同的電路功能。病房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)多路溫度、濕度、光照數(shù)據(jù)，并且還得實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、顯示

38、，人機(jī)交互等。系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能比較多，用單片機(jī)完成實(shí)現(xiàn)這些功能難度較大，需構(gòu)建復(fù)雜的電路，所以選用actel公司的fusion fpga開發(fā)板來實(shí)現(xiàn)。fpga的功能可以自行設(shè)計(jì)，可以完成相當(dāng)復(fù)雜的功能。下面開始介紹fusion fpga開發(fā)板的資源以及芯片的特點(diǎn)。4.2.1.1 芯片資源fusion fpga是基于proasic3/e的系列芯片，所以具有flash架構(gòu)的fpga所有特點(diǎn)(安全性、可靠性、單芯片、上電即行、非易失性、低功耗等)。fusion fpga集成了獨(dú)特的模擬部分，具有：分辨率高達(dá)12位、采樣率高達(dá)600kbps、30個(gè)輸入通道、2.56v內(nèi)部參考源的ad；高達(dá)30個(gè)模擬

39、的輸入i/o，可以承受12v輸入電壓，并有10個(gè)mosfet門驅(qū)動(dòng)輸出，驅(qū)動(dòng)能力可調(diào)。片內(nèi)集成100mhz、精度為%1的rc振蕩器；外部可接32khz20mhz的晶振；具有可編程的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(rtc)。片內(nèi)具有1.5v穩(wěn)壓源，可提供內(nèi)核電壓，實(shí)現(xiàn)睡眠和待機(jī)的低功耗模式。其他資源：具有4mbit的用戶可用的flash memory、1kbit的flashrom、108kbit的ram；2個(gè)pll，最高頻率可達(dá)350mhz。fusion fpga還支持多種i/o電平標(biāo)準(zhǔn)，具有aes、flashlock加密技術(shù)。4.2.1.2 外設(shè)資源開發(fā)板上的外設(shè)資源：512k字節(jié)的sram；sp5301 usb

40、 phy，帶有迷你usb接口；16*2的液晶；lvds接口，發(fā)送和接收各一路；四個(gè)可用的串口，兩個(gè)帶有座子；miniisa接口，可以擴(kuò)展zlg的miniisa工控板；用戶可用的多路模擬i/o接口；32.768khz以及48mhz晶振；核心板溫度、電壓、電流檢測(cè)電路；四路mosfet驅(qū)動(dòng)電路；5個(gè)按鍵；8個(gè)led；交流蜂鳴器；vga接口；鼠標(biāo)鍵盤接口。4.2.1.3 芯片特點(diǎn)1.單芯片：以flash為基礎(chǔ)的fpga將配置信息儲(chǔ)存在片上flash單元中，一旦完成編程后，配置數(shù)據(jù)就會(huì)成為fpga結(jié)構(gòu)的固有部分，在系統(tǒng)上電時(shí)并無需載入外部配置數(shù)據(jù)。2.低功率：actel以flash為基礎(chǔ)的fusion

41、器件具有類似于asic的功率特性，因而適用于電池供電產(chǎn)品和其它對(duì)功耗敏感的應(yīng)用。fusion器件還具有低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，能實(shí)現(xiàn)最多的功率節(jié)省。這些器件支持睡眠和待機(jī)模式運(yùn)作，可大幅降低功耗。3.上電即行：以flash為基礎(chǔ)的fusion器件具有上電即行(lapu)特性，一旦施加正常運(yùn)作規(guī)格內(nèi)的系統(tǒng)功率，fusion器件即可工作。這種上電即行特性能夠大幅簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并往往可以省去系統(tǒng)中復(fù)雜的可編程邏輯器件 (cpld) 。與以sram為基礎(chǔ)的fpga不同，該器件在系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)無需重新載入配置數(shù)據(jù)。以flash為基礎(chǔ)的fusion器件能夠簡(jiǎn)化總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)、減低成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)可

42、靠性，并縮短系統(tǒng)初始化的時(shí)間。4.安全性：fusion器件包含了actel flashlock 功能，提供可重編程性和設(shè)計(jì)安全性的獨(dú)特組合，且無外部元件費(fèi)用。這些優(yōu)點(diǎn)只有通過帶非揮發(fā)性flash 內(nèi)存的fpga才能實(shí)現(xiàn)。fusion器件具有基于flash的128位安全保護(hù)機(jī)制和業(yè)界領(lǐng)先的片上aes解碼內(nèi)核，用于保護(hù)經(jīng)編程的ip和配置數(shù)據(jù)。4.2.2 傳感器的選型4.2.2.1 溫度傳感器的選型傳統(tǒng)的熱敏電阻、rtd(電阻溫度檢測(cè)器)、熱電偶等溫度傳感器測(cè)量范圍有限，一般需要補(bǔ)償電路來克服非線性誤差，且精度和穩(wěn)定度要求高、電路復(fù)雜、成本高、占用硬件資源多、調(diào)試過程復(fù)雜。數(shù)字溫度傳感器工作范圍寬，

43、轉(zhuǎn)換精度高、測(cè)量速度快、編程設(shè)置靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需溫度校準(zhǔn)和調(diào)試，可直接連接到微處理器。對(duì)于病房環(huán)境中的溫度測(cè)量，要求精度不是很高，測(cè)量范圍不是很大。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)溫范圍是040，精度為2，fpga有較多的i/o口，所以設(shè)計(jì)使用數(shù)字式的溫度傳感器，充分使用了fusion fpga的i/o口。較流行的數(shù)字溫度傳感器是帶有串行總線接口的傳感器，如系統(tǒng)管理總線(smbus)、串行外圍接口總線(spi)和單總線(1-wire)等。這些接口有各自的特點(diǎn),spi時(shí)鐘速率較快，且沒有系統(tǒng)開銷，適用于需要經(jīng)常進(jìn)行快速數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南到y(tǒng)；對(duì)于系統(tǒng)需要多個(gè)主器件共存于同一系統(tǒng)總線上，或者面向低功耗應(yīng)用，smbus較

44、為適宜；單總線器件則采用單條連線解決了控制、通信和供電等問題, 能大大降低系統(tǒng)成本, 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。ds18b20是基于單總線的數(shù)字式傳感器，測(cè)溫范圍是-55+125，可將溫度值轉(zhuǎn)化為912位的數(shù)字量。并且ds18b20具有溫度告警功能，用戶可設(shè)置高溫、低溫報(bào)警，溫度掉電不丟失。外部系統(tǒng)對(duì)ds18b20 的各種操作必須按順序進(jìn)行，操作順序?yàn)椋撼跏蓟?，rom 操作命令，存儲(chǔ)器操作命令，處理數(shù)據(jù)。每條命令有不同代碼，在總線上傳送時(shí)，從器件根據(jù)接收的命令代碼完成相應(yīng)的操作。1.ds18b20 的主要特性：(1) 單總線接口方式：與微處理器連接時(shí)僅需要一條信號(hào)線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊；(2) 使用中無需外部器件

45、，可以利用數(shù)據(jù)線或外部電源提供電能，供電電壓范圍3.3-5.5v；(3) 直接讀出數(shù)字量，工作可靠,精度高，且通過編程可實(shí)現(xiàn)912 位分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換12的溫度數(shù)據(jù)最大僅需要750ms；(4) 溫度測(cè)量范圍- 55+125， - 10+85之間測(cè)量精度可達(dá)0.5；(5) 可設(shè)定非易失的報(bào)警上下限值，一旦測(cè)量溫度超過此設(shè)定值,即可給出報(bào)警標(biāo)志；(6) 每片ds18b20上有唯一的64bit 識(shí)別碼，可輕松組建分布式溫度測(cè)量測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。2.ds18b20 的操作順序：為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，任一時(shí)刻1- wire總線上只能有一個(gè)控制信號(hào)或數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)應(yīng)符合1-wire總線協(xié)議，訪問d

46、s18b20的操作順序遵循以下3步：第1 步，初始化；第2 步，rom 命令；第3步，ds18b20功能命令。(1) 初始化基于1-wire總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖， 從機(jī)響應(yīng)應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道，總線上有從機(jī)設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。(2) rom 命令在主機(jī)檢測(cè)到應(yīng)答脈沖后，就可以發(fā)出rom 命令。這些命令與各個(gè)從機(jī)設(shè)備的惟一64位rom代碼相關(guān)，允許主機(jī)在1-wire總線上連接多個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)， 指定操作某個(gè)從機(jī)設(shè)備。這些命令還允許主機(jī)能夠檢測(cè)到總線上有多少個(gè)從機(jī)設(shè)備以及其設(shè)備類型，或者有沒有設(shè)備處于報(bào)警狀態(tài)。共有5 種rom 命令, 他們分別是：讀rom，

47、搜索rom，匹配rom，跳過rom，報(bào)警搜索。對(duì)于只有一個(gè)溫度傳感器的單點(diǎn)系統(tǒng)，跳過rom(skip rom) 命令特別有用，主機(jī)不必發(fā)送64位序列號(hào)，從而節(jié)約了大量時(shí)間。對(duì)于1-wire總線的多點(diǎn)系統(tǒng)，通常先把每一個(gè)溫度傳感器ds18b20的64位序列號(hào)測(cè)出，要訪問某一個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)時(shí)，發(fā)送匹配rom命令(match rom)，然后發(fā)送64位序列號(hào)，這時(shí)可以對(duì)指定的從屬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作。(3) ds18b20 功能命令在主機(jī)發(fā)出rom命令，以訪問某個(gè)指定的ds18b20后，接著就可以發(fā)出ds18b20支持的某個(gè)功能命令。這些命令允許主機(jī)寫入或讀出ds18b20暫存器、啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換以及判斷從機(jī)的供電方

48、式。ds18b20 的功能命令有：溫度轉(zhuǎn)換、寫暫存器、讀暫存器、拷貝暫存器、恢復(fù)e2prom、讀取電源供電方式。主機(jī)發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，ds18b20采集溫度并進(jìn)行a/d 轉(zhuǎn)換，結(jié)果保存在暫存器的字節(jié)0和字節(jié)1。3.ds18b20的信號(hào)時(shí)序：所有的1-wire總線器件要求采用嚴(yán)格的信號(hào)時(shí)序，以保證數(shù)據(jù)的完整性。ds18b20共有6種信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0 和讀1。所有這些信號(hào)，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)。并且發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。(1) 復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖1-wire總線上的所有通信都是以初始化序列開始。主機(jī)輸出低電平，保持低電平時(shí)間至少4

49、80s，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機(jī)釋放總線，4.7k上拉電阻將1-wire總線拉高，延時(shí)1560s ，并進(jìn)入接收模式(rx)。接著ds18b20拉低總線60240s，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時(shí)480s。(2) 寫時(shí)隙寫時(shí)隙包括寫0時(shí)隙和寫1時(shí)隙。所有寫時(shí)隙至少需要60s，且在2次獨(dú)立的寫時(shí)隙之間至少需要1s的恢復(fù)時(shí)間，兩種寫時(shí)隙均起始于主機(jī)拉低總線。寫1 時(shí)隙：主機(jī)輸出低電平，延時(shí)2s，然后釋放總線，延時(shí)60s。寫0時(shí)隙：主機(jī)輸出低電平，延時(shí)60s，然后釋放總線，延時(shí)2s。(3) 讀時(shí)隙1-wire總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)隙時(shí)，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，所以在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上

50、產(chǎn)生讀時(shí)隙，以便從機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)隙至少需要60s，且在2 次獨(dú)立的讀時(shí)隙之間至少需要1s的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)隙都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線1s。主機(jī)在讀時(shí)隙期間必須釋放總線，并且在時(shí)隙起始后的15s之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。典型的讀時(shí)隙過程為：主機(jī)輸出低電平延時(shí)2s，然后主機(jī)轉(zhuǎn)入輸入模式延時(shí)12s，然后讀取1-wire總線當(dāng)前的電平, 然后延時(shí)50s。4.2.2.2 濕度傳感器的選型傳統(tǒng)的濕度檢測(cè)由濕度檢測(cè)電路、濕度信號(hào)放大電路和高精度穩(wěn)壓電源電路組成。濕度檢測(cè)電路由濕敏電阻rh等組成。濕度信號(hào)放大電路由運(yùn)放組建的電路組成。穩(wěn)壓電源電路為濕度檢測(cè)電路提供穩(wěn)壓電源。這樣組建的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量系

51、統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性都比較低，而且必須要經(jīng)過調(diào)試才能使用。數(shù)字式的溫濕度傳感器dht11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。病房環(huán)境中的濕度測(cè)量，要求精度不是很高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)濕范圍是2090rh,精度為5%rh。此外，溫濕度傳感器dht11還可以測(cè)量溫度，測(cè)量的溫度范圍時(shí)050,精度為2。從使用的方便和精度上考慮，系統(tǒng)使用數(shù)字式的溫濕度傳感器dht11來完成濕度的測(cè)量的同時(shí)完成對(duì)溫度的測(cè)量。dht11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)nt

52、c測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)dht11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在otp內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上。1. dht11的特性dht11的特性：(1)相對(duì)濕度和溫度測(cè)量；(2)全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；(3)卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；(4)無需額外部件；(5)超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離；(6)超低能耗；(7)4引腳安裝；(8)完全互換。2.dht11與fpga的通訊data

53、用于fpga與dht11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零。操作流程如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。用戶發(fā)送一次開始信號(hào)后，dht11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，dht11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit

54、的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，dht11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，dht11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。dht11傳感器的通訊過程如圖4.2所示。圖4.2 dht11的傳感器的通訊過程總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低等待dht11響應(yīng)，主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒，保證dht11能檢測(cè)到起始信號(hào)。dht11接收到主機(jī)的開始信號(hào)后，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送80s低電平響應(yīng)信號(hào)。主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待2040s后，讀取dht11的響應(yīng)信號(hào)，主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)后，可以切換到輸入模式，或者

55、輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。dht11的初始化示意圖如圖4.3所示。圖4.3 dht11的初始化示意圖總線為低電平，說明dht11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，dht11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后，再把總線拉高80s，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一bit數(shù)據(jù)都以50s低電平時(shí)隙開始，高電平的長(zhǎng)短定了數(shù)據(jù)位是0還是1。格式見下面圖示.如果讀取響應(yīng)信號(hào)為高電平，則dht11沒有響應(yīng)，請(qǐng)檢查線路是否連接正常。當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，dht11拉低總線50s，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。3.dht11數(shù)字信號(hào)的表示方法dht11的數(shù)字0信號(hào)表示方法如圖4.4所示。圖4.4 數(shù)字0信號(hào)表示方法dht11的數(shù)字1信號(hào)表示方

56、法如圖4.5所示。圖4.5 數(shù)字1信號(hào)表示方法4.2.2.3 光照傳感器的選型測(cè)量光照的傳感器有光敏電阻受溫度影響較大，響應(yīng)速度不快，在ms到s之間，延遲時(shí)間受入射光的光照度影響。光敏二極管較硅光電池有許多優(yōu)點(diǎn)，有很高的帶寬，價(jià)格便宜，特別是光電流與光照度之間呈較好的線性關(guān)系。光電二極管是在反向電壓作用在工作的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。圖4.6所示為光敏二極管的光照特性曲線，由圖可見其有很好的線性關(guān)系。圖4.6 光敏二極

57、管的光照特性曲線4.2.3 傳感器的電路設(shè)計(jì)fusion系列器件提供了非常靈活的i/o結(jié)構(gòu)，一個(gè)i/o模塊一般包括i/o緩沖器和i/o寄存器，用于實(shí)現(xiàn)多種電平標(biāo)準(zhǔn)和特殊的傳輸模式。fusion的i/o可以驅(qū)動(dòng)5v的器件，對(duì)于5v的輸入容限有多種方式達(dá)到。單端i/o支持最高頻率為250mhz。根據(jù)這些i/o特性，論文中設(shè)計(jì)了這三種傳感器的測(cè)量電路。4.2.3.1 溫度傳感器ds18b20的電路設(shè)計(jì)當(dāng)fpga與ds18b20 連接時(shí)，可采用寄生電源或外部電源兩種供電方式。采用寄生電源工作方式時(shí)可節(jié)省一根導(dǎo)線，但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，精度稍差，且工作溫度不能高于100 ；當(dāng)采取外部電源工作方式時(shí)則多用一根導(dǎo)線，但測(cè)量速度較快、精度高，工作溫度可高于100 。本系統(tǒng)采用了外部電源供電，這樣從一定程度上減少了程序的復(fù)雜度，增加了測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。fpga與ds18b20的連接示意圖如圖4.7所示。圖4.7 fpga與ds18b20的連接示意圖當(dāng)數(shù)據(jù)總線只掛單個(gè)ds18b20型溫度傳感器時(shí)，將fpga的i/o引腳直接與ds18b20的dq引腳連接,外部加上拉電阻，也可在同一總線上掛接多個(gè)ds18b20，主機(jī)發(fā)出與要檢測(cè)溫度傳感器序列號(hào)相匹配的命令，只對(duì)相匹配的傳感器進(jìn)行讀數(shù)及相關(guān)處理。掛