【正文】 基于 FPGA 的病房呼叫系統(tǒng)的設計 1 基于 FPGA 的病房呼叫系統(tǒng)的設計 中文摘要： 病房呼叫系統(tǒng)，顧名思義，是病人在醫(yī)生與護士不在的情況下病人找尋醫(yī)生尋求幫助的系統(tǒng)。該病房呼叫系統(tǒng)是基于 FPGA 的，通過 FPGA 設計的不同設計方法的比對，最后 采用的模塊化設計， VHDL 語言與原理圖相結合的方法 進行設計 。充分利用了 FPGA 的可編程能力與 VHDL 語言 的課移植性和原理圖編輯 的直觀性等 優(yōu)點。 來實現(xiàn)病房呼叫系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。 關鍵字： 病房呼叫，系統(tǒng)， FPGA，模塊， VHDL 1 原理 假設有 8 個病房，即有八個信號輸入 ，同時要有時間顯示與聲音提示。這在病房呼叫系統(tǒng)中是必不可少的。 八個模擬病房呼叫輸入端，假設一號優(yōu)先級最高，依次遞減。當有一個信號輸入時，其所對應的 LED 燈亮，并有提示音與時間 和病房號 顯示， 開始5 秒伴隨提示音， 5 秒后自動關閉提示音，在 3 分鐘內(nèi)如無應答，則在 3分鐘后發(fā)出警報，持續(xù)時間為 5 秒。當有多個信號同時輸入時，病房呼叫系統(tǒng)選擇優(yōu)先級最高的進行顯示時間，病房號與聲音提示，其他的均只顯示其對應的 LED，并無時間顯示。 5 秒聲音提示以后 3 分鐘內(nèi)如無應答，再次發(fā)出警報。如在 3 分鐘內(nèi)有應答，則顯示下一個病房的病房號與時間，同樣當計時器的時間超過 3 分鐘時報警，如在 3 分鐘內(nèi)有應答則顯示下一個，以此類推。 原理圖： 2 方案論證 我對這個設計開始 和現(xiàn)在所用的設計不同的方案，但在頂層設計時發(fā)現(xiàn)并不好實現(xiàn)，中間的信號太多太龐雜，連接起來比較復雜，但在后續(xù)編輯中沒有預期的效果，在多次調(diào)試仿真中無法得到想要的結果，所以我選擇了排除錯誤，首先從自身下手 ，對每個模塊進行單獨設計，利用 VHDL 語言的可移植性，應用原件例化語句將模塊連接起來，通過例化后的電路圖與原理圖進行比較，看是否有連錯等問題。 基于 FPGA 的病房呼叫系統(tǒng)的設計 2 3 模塊的劃分及各模塊的功能實現(xiàn) 模塊的劃分 ? 對病房呼叫的信號 進行存儲并處理信號，這就需要一個對信號進行存儲的鎖存器； ? 對發(fā)出的信號進行優(yōu)先選擇，就需要一個數(shù)據(jù)選擇器； ? 對時間控制信號的優(yōu)先選擇，使數(shù)碼管可以顯示優(yōu)先級最高的信號時間，又需要一個數(shù)據(jù)選擇器； ? 顯示時間，并對其進行計時，需要一個計時器； ? 用七段數(shù)碼管 顯示時間 ，需要一個可以驅(qū)動七段數(shù)碼管的顯示器 ； ? 蜂鳴，就需要一個蜂鳴器； ? 在設計變成的過程中， 計時器與蜂鳴器的位寬不同，有需要一個轉(zhuǎn)換連接的連接器。 即分為鎖存器、數(shù)據(jù)選擇器、時間選擇器、計時器、顯示器、蜂鳴器與連接器幾個模塊組成。 模塊的功能 實現(xiàn) ： 鎖存器： 由于有 8 個病房，所以設計 8 個輸入信號且高電平時為信號輸入，另外考慮到時間模塊顯示的是當前等待時間，所以決定時間顯示當前等待時間為最好， 所以在所存模塊，把復位加到鎖存模塊，高電平的時候表示復位不工作，低電平的時候表示復位。鎖存器的一個輸入信號與 LED 燈相連，使得有呼叫信號時，與病房相對應的燈亮。另外一個相同的輸出信號連接數(shù)據(jù)選擇器 對信號進行選擇，還有一個相同輸出信號控制計時模塊中的 SP 信號。 程序： LIBRARY IEEE。 USE 。 ENTITY SUOCUNQI IS PORT( REST:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 —— 輸入信號 SIN:IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0)。 SOUT1:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 SOUT2:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 三個相同的輸出 SOUT3:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0))。 END SUOCUNQI。 ARCHITECTURE bhv OF SUOCUNQI IS SIGNAL SOUT:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 BEGIN PROCESS(REST,SIN) BEGIN 基于 FPGA 的病房呼叫系統(tǒng)的設計 3 IF REST(0)=39。139。 AND SIN(0)=39。139。 THEN SOUT(0)=39。139。 ELSE SOUT(0)=39。039。 END IF。 IF REST(1)=39。139。 AND SIN(1)=39。139。 THEN SOUT(1)=39。139。 ELSE SOUT(1)=39。039。 END IF。 IF REST(2)=39。139。 AND SIN(2)=39。139。 THEN SOUT(2)=39。139。 ELSE SOUT(2)=39。039。 END IF。 IF REST(3)=39。139。 AND SIN(3)=39。139。 THEN SOUT(3)=39。139。 ELSE SOUT(3)=39。039。 END IF。 IF REST(4)=39。139。 AND SIN(4)=39。139。 THEN SOUT(4)=39。139。 ELSE SOUT(4)=39。039。 END IF。 IF REST(5)=39。139。 AND SIN(5)=39。139。 THEN SOUT(5)=39。139。 ELSE SOUT(5)=39。039。 END IF。 IF REST(6)=39。139。 AND SIN(6)=39。139。 THEN SOUT(6)=39。139。 ELSE SOUT(6)=39。039。 END IF。 IF REST(7)=39。139。 AND SIN(7)=39。139。 THEN SOUT(7)=39。139。 ELSE SOUT(7)=39。039。 END IF。 END PROCESS。 SOUT1=SOUT。 SOUT2=SOUT。 SOUT3=SOUT。 END ARCHITECTURE bhv。 基于 FPGA 的病房呼叫系統(tǒng)的設計 4 功能仿真： 數(shù)據(jù)選擇器 由設計要求，數(shù)碼管要顯示優(yōu)先級最高的病房的呼叫信號，所以我們須對病房呼叫信號進行選優(yōu)，還考慮到對時間的優(yōu)先級的問題，所以設計兩個選擇輸出信號。程序功能部分按優(yōu)先病房好順序依次輸出 BCD碼代表的 8。 程序： LIBRARY IEEE。 USE 。 ENTITY HUANYOU IS PORT(SOUT:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 YOU1:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)。 YOU2:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0))。 END HUANYOU。 ARCHITECTURE bhv OF HUANYOU IS SIGNAL YOU:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)。 BEGIN PROCESS(SOUT,YOU)—— 對病房號進行選擇 BEGIN IF SOUT(0)=39。139。 THEN YOU=0001。 復位后的波形 基于 FPGA 的病房呼叫系統(tǒng)的設計 5 ELSE IF SOUT(1)=39。139。 THEN YOU=0010。 ELSE IF SOUT(2)=39。139。 THEN YOU=0011。 ELSE IF SOUT(3)=39。139。 THEN YOU=0100。 ELSE IF SOUT(4)=39。139。 THEN YOU=0101。 ELSE IF SOUT(5)=39。139。 THEN YOU=0110。 ELSE IF SOUT(6)=39。139。 THEN YOU=0111。 ELSE IF SOUT(7)=39。139。 THEN YOU=1000。 ELSE YOU=0000。 END IF 。 END IF 。 END IF 。 END IF 。 END IF 。 END IF 。 END IF 。 END IF 。 END PROCESS。 YOU1=YOU。 YOU2=YOU。 END ARCHITECTURE。 功能仿真： 時間選擇器： 考慮到復位鍵一一對應的問題，我們的計時器又只用了一個，顯示當前最優(yōu)先病房的等待時間，所以時間選擇器連在數(shù)據(jù)選擇器 的后面以及八個位寬的復位信號相連，然后通過數(shù)據(jù)選擇器，使得輸出地復位信號為當前最優(yōu)先的病房所對應的復位信號。鎖存器的一個輸出信號也在這時進行優(yōu)選，選出來的優(yōu)先級最高的信號與計時器中的 SP 信號對應。 程序： LIBRARY IEEE。 通過選擇，選出優(yōu)先級最高的，這里為 3 號病房 基于 FPGA 的病房呼叫系統(tǒng)的設計 6 USE 。 ENTITY HUANYOU2 IS PORT(REST:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 YOU1:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)。 SOUT3:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) 。 ZQ:OUT STD_LOGIC?！?對應計時器 SP LJ:OUT STD_LOGIC)?！?對應計時器的 REST END HUANYOU2。 ARCHITECTURE bhv OF HUANYOU2 IS BEGIN PROCESS(YOU1) BEGIN IF YOU1=0001 THEN LJ=REST(0)。 ELSE IF YOU1=0010 THEN LJ=REST(1)。 ELSE IF YOU1=0011 THEN LJ=REST(2)。 ELSE IF YOU1=0100 THEN LJ=REST(3)。 ELSE IF YOU1=0101 THEN LJ=REST(4)。 ELSE IF YOU1=0110 THEN LJ=REST(5)。 ELSE IF YOU1=0111 THEN LJ=REST(6)。 ELSE IF YOU1=1000 THEN LJ=REST(7)。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END PROCESS。 PROCESS(SOUT3) BEGIN IF YOU1=0001 THEN ZQ=SOUT3(0)。 ELSE IF YOU1=0010 THEN ZQ=SOUT3(1)。 ELSE IF YOU1=0011 THEN ZQ=SOUT3(2)。 ELSE IF YOU1=0100 THEN ZQ=SOUT3(3)。 ELSE IF YOU1=0101 THEN ZQ=SOUT3(4)。 ELSE IF YOU1=0110 THEN ZQ=SOUT3(5)。 ELSE IF YOU1=0111 THEN ZQ=SOUT3(6)。 ELSE IF YOU1=1000 THEN ZQ=SOUT3(7)。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END IF。 END PROCESS。 END ARCHITECTURE。 基于 FPGA 的病房呼叫系統(tǒng)的設計 7 功能仿真： 計時器： 由設計要求計時用四個數(shù)碼管顯示 mm， ss，所以時間方面采用的是以秒進位，實驗箱中頻率為 20MHz，所以選擇了 0： 20200000 即一秒的分頻，另外由于有呼叫信號， SP=1，我們得立即即使，所以定義了每個 1 秒之內(nèi)出現(xiàn)一個上升沿，當上升沿到來時時間加計 1s，另外 mmss之中前一個 m 代表的是分的十位，后一個代表的是分的個位，前一個 s代表的是秒的十位，后一個 s 代表的是秒的個位。 程序一和程序二的功能相同，程序一采用兩個 PROCESS 語句，程序一只用了一個 PROCESS語句，但在頂層設計時程序 一中的第二個 PROCESS 語句沒有執(zhí)行，所以在頂層設計中采用的是程序二。 程序一： LIBRARY IEEE。 USE 。 USE 。 ENTITY TIME IS PORT(REST,S