【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 統(tǒng)設(shè)計(jì)者的歡迎。 Altera Quartus II （ 和更高版本）設(shè)計(jì)軟件是業(yè)界唯一提供 FPGA 和固定功能 HardCopy 器件統(tǒng)一設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)工具。工程師使用同樣的低價(jià)位工具對(duì)Stratix FPGA 進(jìn)行功能驗(yàn)證和原型設(shè)計(jì)，又可以設(shè)計(jì) HardCopy Stratix 器件用于批量成品。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者現(xiàn)在能 夠用 Quartus II 軟件評(píng)估 HardCopy Stratix 器件的性能和功耗，相應(yīng)地進(jìn)行最大吞吐量設(shè)計(jì)。 Altera 的 Quartus II 可編程邏輯軟件屬于第四代 PLD 開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)支持一 個(gè)工作組環(huán)境下的設(shè)計(jì)要求，其中包括支持基于 Inter的協(xié)作設(shè)計(jì)。 Quartus平臺(tái)與 Cadence、 ExemplarLogic、 MentorGraphics、 Synopsys 和 Synplicity 等大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 EDA供應(yīng)商的開(kāi)發(fā)工具相兼容。改進(jìn)了軟件的 LogicLock 模塊設(shè)計(jì)功 能，增添 了FastFit 編譯選項(xiàng)， 推進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)編輯性能，而且提升了調(diào)試能力。 支持 MAX7000/MAX3000 等乘積項(xiàng)器件 版 Quartus II 設(shè)計(jì)軟件現(xiàn)在除了支持 Altera 的 APEX 20KE， APEX 20KC， APEX II， ARM 的 Excalibur 嵌入處理器方 案， Mercury， FLEX10KE 和 ACEX1K 之外，還支持 MAX3000A， MAX7000 系列乘積項(xiàng)器件。 MAX3000A 和 MAX7000 設(shè)計(jì)者現(xiàn)在可 以使用 QuartusII 設(shè)計(jì)軟件中才有的所有強(qiáng)大的功能。 軟件體積縮小，運(yùn)行速度加快 安裝軟件為 290M,完全安裝為 700M,如果定制安裝，不選擇Excalibur 嵌入處理器，則安裝所需空間為 460M,比 版本減少一半以上的空間要求，卻能支持 ALTERA 全部芯片的開(kāi)發(fā)。 同時(shí)軟件的裝載，編譯，仿真速度比 版本大 大加快。 LogicLock 設(shè)計(jì)流程把性能提升 15% 設(shè)計(jì)軟件通過(guò)增強(qiáng)層次 LogicLock 模塊級(jí)設(shè)計(jì)方式，將性能平均改善 15%。 LogicLock 設(shè)計(jì)流程把整個(gè)模塊的放置交由 設(shè)計(jì)者控制，如果必要的話，可以采用輔 助平面布置。 LogicLock 設(shè)計(jì)流程運(yùn)行設(shè)計(jì)者單獨(dú)地優(yōu)化和鎖定每個(gè)模塊的性能，在大 型 SOPC 設(shè)計(jì)的構(gòu)建過(guò)程中也保持整個(gè)系統(tǒng)的性能。 版Quartus II 設(shè)計(jì)軟件把新的 LogicLock 設(shè)計(jì)流程算法集成到未來(lái)的 Altera 器 件中，該算法充分利用了模塊級(jí)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。 采用快速適配選項(xiàng)縮短編譯時(shí)間 增加了一個(gè)新的快速適配編譯選項(xiàng)，選擇中這個(gè)選項(xiàng)，將會(huì)比缺省設(shè)置要縮短 50%的編譯時(shí)間。快速適配功能保留了 最佳性能的設(shè)置，加快了編譯過(guò)程。這樣布局適配算法反復(fù)的次數(shù)更少，編譯速度 更快，對(duì)設(shè)計(jì)性能的影響最小。 新的功能減小了系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證 版 Quartus II 設(shè)計(jì)軟件引入了新的功能，加快驗(yàn)證過(guò)程，這通常是 SOPC設(shè)計(jì)流程中最漫長(zhǎng)的階段。在最初的編譯時(shí)間中，新的 SignalProbe 技術(shù)允許用 戶在保留設(shè)計(jì)最初布線，時(shí)限和設(shè)計(jì)文件的同時(shí)把內(nèi)部節(jié)點(diǎn)引到未用的管腳進(jìn)行分析。 SignalProbe 技術(shù)完 成了現(xiàn)有 SignalTap 嵌入邏輯分析的功能。 而且，設(shè)計(jì)者能夠使用新版本中提供的 HDL 測(cè)試模板快速地開(kāi)發(fā) HDL仿真矢量。 版 Quartus II 設(shè)計(jì)軟件也可以自動(dòng)地從 QuartusII 仿真器波形文件中創(chuàng)建完整的 HDL測(cè)試平臺(tái)。 版 Quartus II 設(shè)計(jì)軟件也支持高速 I/O 設(shè)計(jì)，生成專用 I/O 緩沖信息規(guī)范（ IBIS）模型導(dǎo)入到常用的 EDA 信號(hào)集成工具中。 IBIS 模型 根據(jù)設(shè)計(jì)中每個(gè)管腳的 I/O 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置來(lái)定制，簡(jiǎn)化第三方工具的分析。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本節(jié)主要針對(duì)該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所需的元器件、系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能與設(shè)計(jì)要求以及系統(tǒng)工作流程等問(wèn)題。本系統(tǒng)屬于分布式多傳感器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點(diǎn)： 第一，多判數(shù)據(jù)處理。由于系統(tǒng)使用多傳感器監(jiān) 測(cè)，因此系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)的檢測(cè)也是基于多判數(shù)據(jù)處理的，將系統(tǒng)中的多個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)送入控制模塊統(tǒng)一處理，將多組參數(shù)進(jìn)行組合判斷，使各個(gè)傳感器互為補(bǔ)充，能讓系統(tǒng)根據(jù)同一時(shí)刻各傳感器返回的信息準(zhǔn)確區(qū)分火災(zāi)險(xiǎn)情與干擾源，拓寬了檢測(cè)范圍，提高了 大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 靈敏度，同時(shí)還能獲得較低的誤警率。 第二，實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與模糊判斷。傳感器的輸出并非是其對(duì)環(huán)境信息的連續(xù)檢測(cè)結(jié)果，而是根據(jù)其檢測(cè)周期有間隔地輸出，因此傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就存在檢測(cè)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，而基于 EDA 技術(shù)和多傳感器的本系統(tǒng)使用硬件描述語(yǔ)言（ VHDL）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可達(dá)到對(duì) 傳感器輸出的信號(hào)及環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果；與此同時(shí)，本系統(tǒng)并不完全依賴數(shù)據(jù)閾值的判斷，而是加入了帶有持續(xù)時(shí)間檢測(cè)的模糊判斷，能夠有效區(qū)分火災(zāi)與干擾源。 傳感器選型方案簡(jiǎn)介 對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳感器的性能在整個(gè)系統(tǒng)的工作效能上有著舉足輕重的作用，因此傳感器的選型尤為重要，根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，使用溫度傳感器、一氧化碳傳感器和煙霧傳感器。設(shè)計(jì)中這三種傳感器均為模擬信號(hào)傳感器，通過(guò)放大整形電路與 A/D 轉(zhuǎn)換后作為送入 MCU處理的數(shù)據(jù)。 本設(shè)計(jì)中對(duì)傳感器的性能有著如下要求： 煙霧檢測(cè)： 0～ 5%/英 尺，誤差≤ 10％； 溫度檢測(cè)： 0～ 200℃，誤差≤ 4％； 一氧化碳： 0～ 500ppm，誤差≤ 5ppm。 這些性能指標(biāo)即設(shè)計(jì)中各傳感器的選型的主要依據(jù)，其次在選型中也應(yīng)考慮到元件性價(jià)比的因素，在滿足性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上盡可能提高元件性能。 溫度傳感器 本設(shè)計(jì)使用高精度熱電偶溫度傳感器 YHWEP01/Pt100，其形為薄膜鉑電阻，是用真空沉積的薄膜技術(shù)把鉑膜濺射在陶瓷基片上。膜厚在 2μ m 以內(nèi)，用玻璃燒結(jié)料把 Ni（或 Pd）引線固定，經(jīng)激光調(diào)阻制成的薄膜元件。傳感器工作時(shí)因環(huán)境溫度的變化，使自身內(nèi) 阻發(fā)生相應(yīng)變化，在固定電流下轉(zhuǎn)化為一定的電壓，經(jīng)過(guò)放大整形后送入 A/D 轉(zhuǎn)換，成為能被單片機(jī)識(shí)別的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)。 測(cè)量范圍： 50℃～ 500℃； R0=1000Ω；工作電流： ；線性度：≤ %；測(cè)量誤差：177。 (+| t |)；外形結(jié)構(gòu)：Φ ；延長(zhǎng)線：Φ 。 由上述性能指標(biāo)可知該傳感器符合設(shè)計(jì)的性能要求，同時(shí)其體積小巧、溫感靈敏且誤差很小，適合火災(zāi)檢測(cè)的溫度測(cè)量。 煙霧傳感器 本設(shè)計(jì)使用的煙霧傳感器為離子式煙霧傳感器 HIS07，該傳感器是基于類比最佳性能設(shè)計(jì)的單源雙室 DSCB 型電離室，電離室中安裝的電離源為 Am241，專用于感煙探測(cè)。當(dāng)流經(jīng)內(nèi)外電離室的電子流不平衡時(shí)，集電極充電直到電離電流達(dá)到平衡，在無(wú)煙或無(wú)燃燒物時(shí)，集電極除手電離電流潮汐影響外保持平衡電位。當(dāng)煙霧進(jìn)入外電離室時(shí)對(duì)電離電流產(chǎn)生影響，使電離電流下降，集電極重新充電直到新的平衡電位，這時(shí)的電位變化經(jīng)整形后送入 A/D 轉(zhuǎn)換，即可得到煙霧濃度的數(shù)據(jù)。 測(cè)量范圍： 0%～ 5%；工作電壓： 9V；測(cè)量誤差：177。 ； UL217 標(biāo)準(zhǔn)大氣中輸出電壓： 177。 ；工作濕度：≤ 95%RH；棉芯 2%/foot 煙靈敏度： 177。 ；集電極平衡電位： 177。 ；絕緣體漏電電流：≤ ；電離源活度： Ci(18Kbq)177。 10%；電離室 25cm 處輻射劑量率： 。 由上述性能指標(biāo)可知該傳感器符合設(shè)計(jì)的性能要求， HIS07 傳感器的生產(chǎn)制作符合 GB471593 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用單源雙室結(jié)構(gòu)，體積小，便于安裝；在適用范大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 圍的環(huán)境條件下集電極平衡電位變化值基本在參數(shù)范圍內(nèi)，穩(wěn)定性較高；集電極平衡電位一致性好，響應(yīng)時(shí)間較短，適于火災(zāi)檢測(cè)中的煙霧測(cè)量。 一氧化碳傳感器 本設(shè)計(jì)使用的一氧化碳傳感器為 ME4CO型電化學(xué)傳感器，該傳感器根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測(cè)氣體在電解池中工作電極上的電化學(xué)氧化過(guò)程，通過(guò)電子線路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娢唬谠撾娢幌驴梢园l(fā)生待測(cè)氣體的電化學(xué)氧化，由于氧在氧化和還原反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的法拉第電流很小，可以忽略不計(jì)，于是待測(cè)氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。于是通過(guò)將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并整形方法送入 A/D 轉(zhuǎn)換就可以確定一氧化碳?xì)怏w的濃度數(shù)據(jù)。 測(cè)量范圍： 0～ 1500ppm；工作電 壓： 9V；測(cè)量誤差： 177。 ；零點(diǎn)漂移 (20℃～ 40℃ )：≤ 9ppm；工作濕度： 15%～ 95%RH；響應(yīng)時(shí)間： 25s；分辨率： 1ppm；穩(wěn)定性： 5%/年；重復(fù)性： 2%輸出值。 由上述性能指標(biāo)可知該傳感器符合設(shè)計(jì)的性能要求， ME4CO傳感器對(duì) CO 有很高的靈敏度，具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，抗干擾特性良好，適合是用于火災(zāi)環(huán)境下的一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)。 系統(tǒng)主要功能 本設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有以下幾個(gè)功能： 1) 火災(zāi)檢測(cè)：傳感器返回的數(shù)據(jù)經(jīng)中央控制處理器判斷為火災(zāi)時(shí)， 發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，并顯示于顯示器上； 2) 狀態(tài)示警：根據(jù)傳感器返回的環(huán)境信息，即時(shí)顯示環(huán)境狀態(tài)； 3) 外部設(shè)備控制：當(dāng)系統(tǒng)做出火災(zāi)判斷時(shí)能同時(shí)發(fā)出報(bào)警驅(qū)動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)相應(yīng)外部設(shè)備如蜂鳴器工具等。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程 該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由圖（ 21）中所示的幾個(gè)部分構(gòu)成。傳感器安裝于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)導(dǎo)線連接到主板傳感器驅(qū)動(dòng)電路，傳感器返回的信號(hào)送到整形電路后轉(zhuǎn)換為0~5V 的電平信號(hào)，由 A/D 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入控制器。 系統(tǒng)的其他部分均安裝在主板上，控制器接收到來(lái)自各傳感器的數(shù)據(jù)后將數(shù)值顯示，并 根據(jù)事先制定好的規(guī)則判斷是否有火災(zāi)情況，如果有火災(zāi)情況則將報(bào)警信息發(fā)出，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。 傳感器驅(qū)動(dòng)電路中央處理器外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)傳感器檢測(cè)信號(hào)放大A/D轉(zhuǎn) 換圖（2 1 ） 系統(tǒng)總體框圖 大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上采用了一些措施。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，不能只考慮正常狀態(tài)的運(yùn)行，對(duì)于干擾源也要有所考慮。由于可能會(huì)有因某些特定原因產(chǎn)生的類似火災(zāi)的干擾源觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，如果用通常的處理方法，需要大量的判斷時(shí)間，可能會(huì)造成硬件的損壞。為了解決這樣的情況，對(duì)系統(tǒng)做出如下設(shè)計(jì)：若檢測(cè)到單一傳感器的數(shù)據(jù)迅速變化，則檢測(cè)其余傳感器是否檢測(cè)到觸發(fā)火災(zāi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化，同時(shí)判斷結(jié)果 是否到達(dá)報(bào)警閾值，如果沒(méi)有檢測(cè)到相應(yīng)變化則視為干擾源，并根據(jù)設(shè)置的閥值直接報(bào)警。 小結(jié) 本章針對(duì)各個(gè)傳感器的選型方案和工作參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的主要功能和工作流程等問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述，使讀者對(duì)整個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有了一個(gè)整體了解，為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)介紹開(kāi)頭。 大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 CLKINRESTHANDWORKADCEOCADCDATA[7...0]ADCADDADCSTARTADCRSTADCALEADCOELEDDRIVERLEDAALARMNEWS 31 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器系統(tǒng)框圖FIREALARMSYSTEMGLEDBLEDYLEDRLEDLEDBLEDC第 3 章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 本章將詳細(xì)闡述系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，包括各個(gè)模塊端口、硬件描述語(yǔ)言（ VHDL）程序設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)。 該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由傳感器和主控器及其報(bào)警輔助設(shè)備（如蜂鳴器，指示燈）構(gòu) 成，綜合考慮系統(tǒng)性能與成本，以 EDA 技術(shù)為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并送主控器；主控器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與功能調(diào)用，完成傳感器檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、觸發(fā)火災(zāi)的判斷以及驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路的工作。 控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 分析本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，或在報(bào)警系統(tǒng)主控器可有以下三個(gè)電路模塊組成：數(shù)據(jù)采集控制轉(zhuǎn)換模塊，其功能是控制接收傳感器數(shù)據(jù)并控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ADC0809進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)出控制信號(hào)；火災(zāi)分析判斷模塊，其功能是根據(jù)采集轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)與災(zāi)情預(yù)設(shè)值比較進(jìn)行邏輯判斷環(huán)境的火災(zāi)狀態(tài)，并根據(jù)判斷結(jié)果給出報(bào)警驅(qū)動(dòng) 信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置報(bào)警；火災(zāi)等級(jí)顯示指示模塊，其功能是根據(jù)邏輯判斷得知環(huán)境狀態(tài)的火災(zāi)等級(jí)將其用數(shù)碼管顯示，并有指示燈指示等級(jí)狀態(tài)。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器的系統(tǒng)框圖如（ 31）所示。 其中， CLKIN 為時(shí)鐘輸入信號(hào)，時(shí)鐘上升沿敏感； REST 為復(fù)位信號(hào)，高電平有效是系統(tǒng)復(fù)位，重啟工作； HANDWORK 為手動(dòng)輸入報(bào)警信號(hào)； ADCEOC 為數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ADC0809 轉(zhuǎn)換結(jié)束控制信號(hào)輸入； ADCDATA[7? 0]數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ADC0809 輸出的 8 大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 位數(shù)據(jù)； ADCADD 為數(shù)模轉(zhuǎn)換 器 ADC0809 通道選擇控制信號(hào)輸出； ADCSTART、 ADCRST、ADCALE、 ADCCOE 為數(shù)模轉(zhuǎn)