【正文】 lx。這種測量方法并沒有給測介質(zhì)溫度的絕對值，而僅僅是它和測溫介質(zhì)原始溫度相對的溫度差，這個(gè)原始溫度是制定溫標(biāo)時(shí)就被規(guī)定作為零度。在溫度測控系統(tǒng)中，除了高溫、℃的高級測溫技術(shù)外，常溫范圍的溫度傳感測量和控制技術(shù)相當(dāng)成熟，可以直接選用，而且可選的測量方式也很多。絕對濕度測量：也稱為水分或微弱水分測量技術(shù)，測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)氣體的測量等，所涉及的范圍相當(dāng)廣泛。光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。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，光電流與光照度之間呈較好的線性關(guān)系。這些方法是測量的基礎(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。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。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。硬IP提供設(shè)計(jì)的最終階段產(chǎn)品：掩膜。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。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。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。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)。：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。仿真是指使用設(shè)計(jì)軟件包對已實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行完整測試，模擬實(shí)際物理環(huán)境下的工作情況。在仿真時(shí)可以編寫HDL激勵(lì)文件或執(zhí)行組模式方式。除網(wǎng)表外，還需要布局布線輸出的標(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。這個(gè)工作是由專用集成電路ASIC或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA自動布局布線工具完成的實(shí)現(xiàn)分為：翻譯(Translate)、映射(Map)和布局布線(Placeamp。在實(shí)現(xiàn)過程中可以進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置。 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。 本章小結(jié)本章對FPGA設(shè)計(jì)的基本流程進(jìn)行了簡單的介紹，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。下位機(jī)主要涉及病房內(nèi)溫度、濕度、光照的測量與顯示，系統(tǒng)時(shí)間的顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?。?shù)據(jù)的顯示采用液晶顯示器LCD1602。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)。LCD液晶顯示器的顯示內(nèi)容通過按鍵更改。 基于FPGA的病房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件連接示意圖 設(shè)計(jì)過程 FPGA開發(fā)板簡介FPGA是英文Field－Programmable 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。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)。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；高達(dá)30個(gè)模擬的輸入I/O，可以承受177。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。：Actel以Flash為基礎(chǔ)的Fusion器件具有類似于ASIC的功率特性，因而適用于電池供電產(chǎn)品和其它對功耗敏感的應(yīng)用。這種上電即行特性能夠大幅簡化整體系統(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) 。 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。數(shù)字溫度傳感器工作范圍寬，轉(zhuǎn)換精度高、測量速度快、編程設(shè)置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，無需溫度校準(zhǔn)和調(diào)試，可直接連接到微處理器。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(1Wire)等。外部系統(tǒng)對DS18B20 的各種操作必須按順序進(jìn)行，操作順序?yàn)椋撼跏蓟琑OM 操作命令，存儲器操作命令，處理數(shù)據(jù)。 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)控制信號或數(shù)據(jù)。(2) ROM 命令在主機(jī)檢測到應(yīng)答脈沖后，就可以發(fā)出ROM 命令。對于只有一個(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，從而節(jié)約了大量時(shí)間。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。所有這些信號，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機(jī)發(fā)出同步信號。接著主機(jī)釋放總線，延時(shí)15～60μs ，并進(jìn)入接收模式(Rx)。寫1 時(shí)隙：主機(jī)輸出低電平，延時(shí)2μs，然后釋放總線，延時(shí)60μs。每個(gè)讀時(shí)隙都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線1μs。濕度檢測電路由濕敏電阻RH等組成。數(shù)字式的溫濕度傳感器DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。5%RH。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。DATA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。用戶發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。DHT11接收到主機(jī)的開始信號后，等待主機(jī)開始信號結(jié)束，然后發(fā)送80μs低電平響應(yīng)信號。當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50μs，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。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。，由圖可見其有很好的線性關(guān)系。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量電路。 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)出與要檢測溫度傳感器序列號相匹配的命令，只對相匹配的傳感器進(jìn)行讀數(shù)及相關(guān)處理。 溫濕度傳感器DHT11的電路設(shè)計(jì)當(dāng)FPGA和DHT11連接時(shí)，使用外部獨(dú)立供電。傳感器上電后，要等待1S，以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。當(dāng)無光照時(shí)，A的電壓VA很大，F(xiàn)ET導(dǎo)通；調(diào)整RW使電橋平衡即電流計(jì)示值為0。另一種是以串行方式與FPGA連接，如DS1302。系統(tǒng)時(shí)間除了方便病人外，還可以為測量的溫度、濕度、光照數(shù)據(jù)加入時(shí)間標(biāo)示。通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路提供秒、分、時(shí)、日、日期、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整。下面將DS1302的主要性能指標(biāo)作一綜合：(1)實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有能計(jì)算2100 年之前的秒分時(shí)日日期星期月年的能力還有閏年調(diào)整的能力；(2)318位暫存數(shù)據(jù)存儲RAM；(3)串行I/O 口方式使得管腳數(shù)量最少；(4)～；(5)工作電流 時(shí),小于300nA；(6)讀/寫時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)有兩種傳送方式單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送字符組方式；(7)簡單3線接口；(8)與 TTL兼容Vcc=5V；(9)對Vcc1 有可選的涓流充電能力。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。RST是復(fù)位，片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送?？刂谱止?jié)總是從最低位開始輸出。上電運(yùn)行時(shí)，在VCC≥，RST必須保持低電平。向DS1302寫入數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)在控制字節(jié)輸入后的下一個(gè)SCLK周期的上升沿被寫入，多余的SCLK將被忽略。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。充電二極管和限流電阻為DS1302內(nèi)置，只需規(guī)定充電控制寄器相應(yīng)各位即可。本系統(tǒng)采用另外一種設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了無需接觸的一種信息發(fā)送方法。紅外發(fā)射部分由20KΩ電阻、紅外接收管RX、74LS0LED指示燈、510Ω電阻組成。 紅外發(fā)射電路紅外接收部分采用20KΩ電阻，74LS04，紅外接收管RX，LED指示燈，510Ω電阻組成。沒有收到紅外線，RX的阻值特別大，74LS04的5號引腳輸入為高電平，74LS04的8號引腳為為高電平，CON1的輸出為高電平。IS61LV25616AL的引腳連接如圖所示,其中A0～A17為地址信號，D0～D15為數(shù)據(jù)信號。系統(tǒng)用液晶顯示器顯示溫度、濕度、光照、系統(tǒng)時(shí)間等。V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高(對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度)。寫操作時(shí)序與讀操作時(shí)序的區(qū)別在與LCD使能后，RS為低電平，讀操作的時(shí)序中，RS為高電平。C=1，顯示光標(biāo)；C=0，不顯示光標(biāo)。S=1，當(dāng)寫一個(gè)字符，整屏顯示左移(N=1)或右移(N=0)，以得到光標(biāo)不移動而屏幕移動的效果。 通信傳輸串口通訊是一種點(diǎn)對點(diǎn)的通訊方式，有單點(diǎn)對單點(diǎn)的方式，也有一點(diǎn)對多點(diǎn)的方式。RS485是一種半雙工模式，即收發(fā)不能同時(shí)，而RS422為全雙工模式，通訊速率比RS485提高了一倍。RS232口是PC機(jī)上通用的串口，適用范圍廣泛。 串口通訊的協(xié)議具有簡單靈活的特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)幀當(dāng)中，起始位和停止位是固定的，只有中間的數(shù)據(jù)位及其校驗(yàn)位是可變的。邏輯0(SPACE)=+3～＋15V。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于3V，邏輯“0”（空號）的電平高于+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)(ON)即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對值大于3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來，介于3～+3V之間的電壓無意義，低于15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在177。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。系統(tǒng)時(shí)鐘使用專門芯片DS1302顯示時(shí)間，簡單、方便、準(zhǔn)確。無傳感器時(shí)，LCD上顯示無傳感器，比如沒有溫濕度傳感器，就顯示“NO DHT11_A” 。 下位機(jī)程序框圖 溫度傳感器DS18B20的程序設(shè)計(jì)DS18B20是單總線的數(shù)字溫度傳感器。所有這些信號，除了應(yīng)答脈沖以外，都是由主機(jī)發(fā)出的同步信號，并且發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的地位在前。 DS18B20的程序設(shè)計(jì)流程圖 溫濕度傳感器DHT11的程序設(shè)計(jì)DHT11的數(shù)據(jù)傳輸采用單總線數(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，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。在此期間FPGA無需發(fā)送任何指令。下次的數(shù)據(jù)采集仍然需要初始化，但是FPGA不用再次等待1S的時(shí)間。使用AD模塊只需進(jìn)行簡單的配置即可實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。處理后的數(shù)據(jù)送至設(shè)計(jì)的FPGA顯示模塊和發(fā)送模塊。 時(shí)鐘芯片DS1302的程序設(shè)計(jì) LCD顯示程序設(shè)計(jì)LCD1602使用首先調(diào)用清屏命令，將LCD上的數(shù)據(jù)清除掉，再設(shè)置LCD的顯示模式為8位2行點(diǎn)陣，顯示器開、光標(biāo)不閃爍、文字不動，光標(biāo)自動右移。 LCD的顯示程序示意圖 請求信息的程序設(shè)計(jì)請求信息的核心是紅外發(fā)射和接收部分。 請求信息的程序設(shè)計(jì) 串口發(fā)送程序設(shè)計(jì)病房的測量數(shù)據(jù)通過串口將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。每次數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的長度為76，開始標(biāo)識符為ABCD。 串口數(shù)據(jù)包格式開始標(biāo)識符房間1溫度房間1濕度房間1光照房間2溫度房間2濕度房間2光照房間3溫度房間3溫度 串口的程序設(shè)計(jì) 本章小結(jié)本章對下位機(jī)的主要程序進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，給出了程序的流程圖。這些模塊如果只有程序內(nèi)部的改動、輸入輸出端口沒有改動，那么不用重新改動連線。 虛擬儀器概述LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW軟件為工程領(lǐng)域各行各業(yè)的初級編程人員和高級程序員們提供直觀圖形化的編程方式。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測量儀器(包括GPIB、RS232等傳統(tǒng)儀器以及新型的VXI模塊化儀器)為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件(處理器、存儲器、顯示器)和測量儀器(頻率計(jì)、示波器、信號源)等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源(包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、過程通訊以及圖形用戶界面)有機(jī)的結(jié)合起來。 基于數(shù)據(jù)庫的虛擬儀器的測試平臺系統(tǒng)框圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)主要研究如何存儲、使用和管理數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展的新階段，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。雖然這個(gè)工具包比較昂貴,但是用戶可以對數(shù)據(jù)庫比較方便的訪問。利用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問需要用戶對Microsoft ADO控件以及SQL語言有較深的了解，并且需要從底層進(jìn)行復(fù)雜的編程才能實(shí)現(xiàn)，這對于大多數(shù)用戶來講也是不現(xiàn)實(shí)的。 利用DSN連接數(shù)據(jù)庫ODBC(Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫互連)是微軟公司開放服務(wù)結(jié)構(gòu)(WOSA，Windows Open Services Architecture)中有關(guān)數(shù)據(jù)庫的一個(gè)組成部分，它建立了一組規(guī)范，并提供了一組對數(shù)據(jù)庫訪問的標(biāo)準(zhǔn)API(應(yīng)用程序編程接口)。ODBC 是基于結(jié)構(gòu)查詢語言(SQL)的，以此作為訪問數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用程序要訪問一個(gè)數(shù)據(jù)庫，首先必須用ODBC管理器注冊一個(gè)數(shù)據(jù)源，管理器根據(jù)數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)庫位置、數(shù)據(jù)庫類型及ODBC驅(qū)動程序等信息，建立起ODBC與具體數(shù)據(jù)庫