【文章內(nèi)容簡介】 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)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。 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。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F(xiàn)PGA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)測系統(tǒng)需要監(jiān)測多路溫度、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，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)。 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；高達(dá)30個(gè)模擬的輸入I/O，可以承受177。12V輸入電壓，并有10個(gè)MOSFET門驅(qū)動輸出，驅(qū)動能力可調(diào)。片內(nèi)集成100MHz、精度為%1的RC振蕩器；外部可接32KHz～20MHz的晶振；具有可編程的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)。，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)。 外設(shè)資源開發(fā)板上的外設(shè)資源：512K字節(jié)的SRAM；SP5301 USB 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；；核心板溫度、電壓、電流檢測電路；四路MOSFET驅(qū)動電路；5個(gè)按鍵；8個(gè)LED；交流蜂鳴器；VGA接口；鼠標(biāo)鍵盤接口。 芯片特點(diǎn)：以Flash為基礎(chǔ)的FPGA將配置信息儲存在片上Flash單元中，一旦完成編程后，配置數(shù)據(jù)就會成為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)。：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。Fusion器件還具有低靜態(tài)和動態(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。：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，F(xiàn)usion器件即可工作。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) 。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)可靠性，并縮短系統(tǒng)初始化的時(shí)間。：Fusion器件包含了Actel FlashLock174。 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)。 傳感器的選型 溫度傳感器的選型傳統(tǒng)的熱敏電阻、RTD(電阻溫度檢測器)、熱電偶等溫度傳感器測量范圍有限，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，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。對于病房環(huán)境中的溫度測量，要求精度不是很高，測量范圍不是很大。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測溫范圍是0～40℃，精度為177。2℃，F(xiàn)PGA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(1Wire)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, 簡化設(shè)計(jì)。DS18B20是基于單總線的數(shù)字式傳感器，測溫范圍是55～+125℃，可將溫度值轉(zhuǎn)化為9～12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)。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。 的主要特性：(1) 單總線接口方式：與微處理器連接時(shí)僅需要一條信號線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊；(2) 使用中無需外部器件，可以利用數(shù)據(jù)線或外部電源提供電能，；(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)9～12 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) 溫度測量范圍 55℃～+125℃， 10℃～+85℃之間測量精度可達(dá)177?！?；(5) 可設(shè)定非易失的報(bào)警上下限值，一旦測量溫度超過此設(shè)定值,即可給出報(bào)警標(biāo)志；(6) 每片DS18B20上有唯一的64bit 識別碼，可輕松組建分布式溫度測量測量網(wǎng)絡(luò)。 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)。進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)應(yīng)符合1Wire總線協(xié)議，訪問DS18B20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1Wire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1Wire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，搜索ROM，匹配ROM，跳過ROM，報(bào)警搜索。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。對于1Wire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位序列號測出，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，這時(shí)可以對指定的從屬節(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、啟動溫度轉(zhuǎn)換以及判斷從機(jī)的供電方式。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。：所有的1Wire總線器件要求采用嚴(yán)格的信號時(shí)序，以保證數(shù)據(jù)的完整性。DS18B20共有6種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫讀0 和讀1。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。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1Wire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480μs，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機(jī)釋放總線，延時(shí)15～60μs ，并進(jìn)入接收模式(Rx)。接著DS18B20拉低總線60～240μs，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時(shí)480μs。(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60μs，且在2次獨(dú)立的寫時(shí)隙之間至少需要1μs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)2μs，然后釋放總線，延時(shí)60μs。寫0時(shí)隙：主機(jī)輸出低電平，延時(shí)60μs，然后釋放總線，延時(shí)2μs。(3) 讀時(shí)隙1Wire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60μs，且在2 次獨(dú)立的讀時(shí)隙之間至少需要1μs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1μs。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15μs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)2μs，然后主機(jī)轉(zhuǎn)入輸入模式延時(shí)12μs，然后讀取1Wire總線當(dāng)前的電平, 然后延時(shí)50μs。 濕度傳感器的選型傳統(tǒng)的濕度檢測由濕度檢測電路、濕度信號放大電路和高精度穩(wěn)壓電源電路組成。濕度檢測電路由濕敏電阻RH等組成。濕度信號放大電路由運(yùn)放組建的電路組成。穩(wěn)壓電源電路為濕度檢測電路提供穩(wěn)壓電源。這樣組建的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量系統(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期穩(wěn)定性。病房環(huán)境中的濕度測量，要求精度不是很高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測濕范圍是20～90％RH,精度為177。5%RH。此外，溫濕度傳感器DHT11還可以測量溫度，測量的溫度范圍時(shí)0～50℃,精度為177。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來完成濕度的測量的同時(shí)完成對溫度的測量。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)NTC測溫元件，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)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上。1. DHT11的特性DHT11的特性：(1)相對濕度和溫度測量；(2)全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；(3)卓越的長期穩(wěn)定性；(4)無需額外部件；(5)超長的信號傳輸距離；(6)超低能耗；(7)4引腳安裝；(8)完全互換。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。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)。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(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，DHT11不會主動進(jìn)行溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。 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能檢測到起始信號。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。主機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時(shí)等待20～40μs后，讀取DHT11的響應(yīng)信號，主機(jī)發(fā)送開始信號后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。 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，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高80μs，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一bit數(shù)據(jù)都以50μs低電平時(shí)隙開始，高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1。，則DHT11沒有響應(yīng)，請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50μs，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。 數(shù)字0信號表示方法。 數(shù)字1信號表示方法 光照傳感器的選型測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，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。，由圖可見其有很好的線性關(guān)系。 光敏二極管的光照特性曲線 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5V的器件，對于5V的輸