【文章內容簡介】 統(tǒng)設計者的歡迎。 Altera Quartus II （ 和更高版本）設計軟件是業(yè)界唯一提供 FPGA 和固定功能 HardCopy 器件統(tǒng)一設計流程的設計工具。工程師使用同樣的低價位工具對Stratix FPGA 進行功能驗證和原型設計，又可以設計 HardCopy Stratix 器件用于批量成品。系統(tǒng)設計者現(xiàn)在能 夠用 Quartus II 軟件評估 HardCopy Stratix 器件的性能和功耗，相應地進行最大吞吐量設計。 Altera 的 Quartus II 可編程邏輯軟件屬于第四代 PLD 開發(fā)平臺。該平臺支持一 個工作組環(huán)境下的設計要求，其中包括支持基于 Inter的協(xié)作設計。 Quartus平臺與 Cadence、 ExemplarLogic、 MentorGraphics、 Synopsys 和 Synplicity 等大學本科畢業(yè)論文 7 EDA供應商的開發(fā)工具相兼容。改進了軟件的 LogicLock 模塊設計功 能，增添 了FastFit 編譯選項， 推進了網絡編輯性能，而且提升了調試能力。 支持 MAX7000/MAX3000 等乘積項器件 版 Quartus II 設計軟件現(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 系列乘積項器件。 MAX3000A 和 MAX7000 設計者現(xiàn)在可 以使用 QuartusII 設計軟件中才有的所有強大的功能。 軟件體積縮小，運行速度加快 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 全部芯片的開發(fā)。 同時軟件的裝載，編譯，仿真速度比 版本大 大加快。 LogicLock 設計流程把性能提升 15% 設計軟件通過增強層次 LogicLock 模塊級設計方式，將性能平均改善 15%。 LogicLock 設計流程把整個模塊的放置交由 設計者控制，如果必要的話，可以采用輔 助平面布置。 LogicLock 設計流程運行設計者單獨地優(yōu)化和鎖定每個模塊的性能，在大 型 SOPC 設計的構建過程中也保持整個系統(tǒng)的性能。 版Quartus II 設計軟件把新的 LogicLock 設計流程算法集成到未來的 Altera 器 件中，該算法充分利用了模塊級設計的優(yōu)勢。 采用快速適配選項縮短編譯時間 增加了一個新的快速適配編譯選項，選擇中這個選項，將會比缺省設置要縮短 50%的編譯時間?？焖龠m配功能保留了 最佳性能的設置，加快了編譯過程。這樣布局適配算法反復的次數(shù)更少，編譯速度 更快，對設計性能的影響最小。 新的功能減小了系統(tǒng)級驗證 版 Quartus II 設計軟件引入了新的功能，加快驗證過程，這通常是 SOPC設計流程中最漫長的階段。在最初的編譯時間中，新的 SignalProbe 技術允許用 戶在保留設計最初布線，時限和設計文件的同時把內部節(jié)點引到未用的管腳進行分析。 SignalProbe 技術完 成了現(xiàn)有 SignalTap 嵌入邏輯分析的功能。 而且，設計者能夠使用新版本中提供的 HDL 測試模板快速地開發(fā) HDL仿真矢量。 版 Quartus II 設計軟件也可以自動地從 QuartusII 仿真器波形文件中創(chuàng)建完整的 HDL測試平臺。 版 Quartus II 設計軟件也支持高速 I/O 設計，生成專用 I/O 緩沖信息規(guī)范（ IBIS）模型導入到常用的 EDA 信號集成工具中。 IBIS 模型 根據(jù)設計中每個管腳的 I/O 標準設置來定制，簡化第三方工具的分析。 系統(tǒng)方案設計 本節(jié)主要針對該火災報警系統(tǒng)的設計所需的元器件、系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能與設計要求以及系統(tǒng)工作流程等問題。本系統(tǒng)屬于分布式多傳感器火災報警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點： 第一，多判數(shù)據(jù)處理。由于系統(tǒng)使用多傳感器監(jiān) 測，因此系統(tǒng)對火災的檢測也是基于多判數(shù)據(jù)處理的，將系統(tǒng)中的多個傳感器采集到的數(shù)據(jù)送入控制模塊統(tǒng)一處理，將多組參數(shù)進行組合判斷，使各個傳感器互為補充，能讓系統(tǒng)根據(jù)同一時刻各傳感器返回的信息準確區(qū)分火災險情與干擾源，拓寬了檢測范圍，提高了 大學本科畢業(yè)論文 8 靈敏度，同時還能獲得較低的誤警率。 第二，實時環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測與模糊判斷。傳感器的輸出并非是其對環(huán)境信息的連續(xù)檢測結果，而是根據(jù)其檢測周期有間隔地輸出，因此傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)就存在檢測的實時性問題，而基于 EDA 技術和多傳感器的本系統(tǒng)使用硬件描述語言（ VHDL）對數(shù)據(jù)進行處理，可達到對 傳感器輸出的信號及環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測的效果；與此同時，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)時間檢測的模糊判斷，能夠有效區(qū)分火災與干擾源。 傳感器選型方案簡介 對火災報警系統(tǒng)來說，傳感器的性能在整個系統(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)的設計要求，使用溫度傳感器、一氧化碳傳感器和煙霧傳感器。設計中這三種傳感器均為模擬信號傳感器，通過放大整形電路與 A/D 轉換后作為送入 MCU處理的數(shù)據(jù)。 本設計中對傳感器的性能有著如下要求： 煙霧檢測： 0～ 5%/英 尺，誤差≤ 10％； 溫度檢測： 0～ 200℃，誤差≤ 4％； 一氧化碳： 0～ 500ppm，誤差≤ 5ppm。 這些性能指標即設計中各傳感器的選型的主要依據(jù)，其次在選型中也應考慮到元件性價比的因素，在滿足性能指標的基礎上盡可能提高元件性能。 溫度傳感器 本設計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把鉑膜濺射在陶瓷基片上。膜厚在 2μ m 以內，用玻璃燒結料把 Ni（或 Pd）引線固定，經激光調阻制成的薄膜元件。傳感器工作時因環(huán)境溫度的變化，使自身內 阻發(fā)生相應變化，在固定電流下轉化為一定的電壓，經過放大整形后送入 A/D 轉換，成為能被單片機識別的溫度數(shù)據(jù)信號。 測量范圍： 50℃～ 500℃； R0=1000Ω；工作電流： ；線性度：≤ %；測量誤差：177。 (+| t |)；外形結構：Φ ；延長線：Φ 。 由上述性能指標可知該傳感器符合設計的性能要求，同時其體積小巧、溫感靈敏且誤差很小，適合火災檢測的溫度測量。 煙霧傳感器 本設計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計的單源雙室 DSCB 型電離室，電離室中安裝的電離源為 Am241，專用于感煙探測。當流經內外電離室的電子流不平衡時，集電極充電直到電離電流達到平衡，在無煙或無燃燒物時，集電極除手電離電流潮汐影響外保持平衡電位。當煙霧進入外電離室時對電離電流產生影響，使電離電流下降，集電極重新充電直到新的平衡電位，這時的電位變化經整形后送入 A/D 轉換，即可得到煙霧濃度的數(shù)據(jù)。 測量范圍： 0%～ 5%；工作電壓： 9V；測量誤差：177。 ； UL217 標準大氣中輸出電壓： 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： 。 由上述性能指標可知該傳感器符合設計的性能要求， HIS07 傳感器的生產制作符合 GB471593 國家標準，采用單源雙室結構，體積小，便于安裝；在適用范大學本科畢業(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，穩(wěn)定性較高；集電極平衡電位一致性好，響應時間較短，適于火災檢測中的煙霧測量。 一氧化碳傳感器 本設計使用的一氧化碳傳感器為 ME4CO型電化學傳感器，該傳感器根據(jù)電化學的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極上的電化學氧化過程，通過電子線路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個適當?shù)碾娢?，在該電位下可以發(fā)生待測氣體的電化學氧化，由于氧在氧化和還原反應時所產生的法拉第電流很小，可以忽略不計，于是待測氣體電化學反應所產生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。于是通過將電流轉換為電壓信號并整形方法送入 A/D 轉換就可以確定一氧化碳氣體的濃度數(shù)據(jù)。 測量范圍： 0～ 1500ppm；工作電 壓： 9V；測量誤差： 177。 ；零點漂移 (20℃～ 40℃ )：≤ 9ppm；工作濕度： 15%～ 95%RH；響應時間： 25s；分辨率： 1ppm；穩(wěn)定性： 5%/年；重復性： 2%輸出值。 由上述性能指標可知該傳感器符合設計的性能要求， ME4CO傳感器對 CO 有很高的靈敏度，具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性，抗干擾特性良好，適合是用于火災環(huán)境下的一氧化碳氣體檢測。 系統(tǒng)主要功能 本設計的火災報警系統(tǒng)具有以下幾個功能： 1) 火災檢測：傳感器返回的數(shù)據(jù)經中央控制處理器判斷為火災時， 發(fā)出火災報警信號，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，即時顯示環(huán)境狀態(tài)； 3) 外部設備控制：當系統(tǒng)做出火災判斷時能同時發(fā)出報警驅動信號啟動相應外部設備如蜂鳴器工具等。 系統(tǒng)結構與工作流程 該火災報警系統(tǒng)由圖（ 21）中所示的幾個部分構成。傳感器安裝于檢測現(xiàn)場，通過導線連接到主板傳感器驅動電路，傳感器返回的信號送到整形電路后轉換為0~5V 的電平信號，由 A/D 轉換芯片轉換為數(shù)字信號送入控制器。 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)則判斷是否有火災情況，如果有火災情況則將報警信息發(fā)出，驅動蜂鳴器發(fā)出聲音報警。 傳感器驅動電路中央處理器外部設備驅動傳感器檢測信號放大A/D轉 換圖（2 1 ） 系統(tǒng)總體框圖 大學本科畢業(yè)論文 10 為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)在硬件設計上采用了一些措施。設計系統(tǒng)的時候，不能只考慮正常狀態(tài)的運行，對于干擾源也要有所考慮。由于可能會有因某些特定原因產生的類似火災的干擾源觸發(fā)報警系統(tǒng)，如果用通常的處理方法，需要大量的判斷時間，可能會造成硬件的損壞。為了解決這樣的情況，對系統(tǒng)做出如下設計：若檢測到單一傳感器的數(shù)據(jù)迅速變化，則檢測其余傳感器是否檢測到觸發(fā)火災相應的數(shù)據(jù)變化，同時判斷結果 是否到達報警閾值，如果沒有檢測到相應變化則視為干擾源，并根據(jù)設置的閥值直接報警。 小結 本章針對各個傳感器的選型方案和工作參數(shù)，對系統(tǒng)的主要功能和工作流程等問題進行了簡單描述，使讀者對整個火災報警系統(tǒng)有了一個整體了解，為整個系統(tǒng)的設計介紹開頭。 大學本科畢業(yè)論文 11 CLKINRESTHANDWORKADCEOCADCDATA[7...0]ADCADDADCSTARTADCRSTADCALEADCOELEDDRIVERLEDAALARMNEWS 31 火災報警系統(tǒng)控制器系統(tǒng)框圖FIREALARMSYSTEMGLEDBLEDYLEDRLEDLEDBLEDC第 3 章 火災報警系統(tǒng)模塊設計 本章將詳細闡述系統(tǒng)各個模塊的設計，包括各個模塊端口、硬件描述語言（ VHDL）程序設計、功能實現(xiàn)。 該火災報警系統(tǒng)由傳感器和主控器及其報警輔助設備（如蜂鳴器，指示燈）構 成，綜合考慮系統(tǒng)性能與成本，以 EDA 技術為核心的系統(tǒng)設計。其中傳感器負責數(shù)據(jù)采集，并送主控器；主控器負責數(shù)據(jù)處理與功能調用，完成傳感器檢測、數(shù)據(jù)分析、觸發(fā)火災的判斷以及驅動報警電路的工作。 控制器系統(tǒng)設計方案 分析本系統(tǒng)設計要求，或在報警系統(tǒng)主控器可有以下三個電路模塊組成：數(shù)據(jù)采集控制轉換模塊，其功能是控制接收傳感器數(shù)據(jù)并控制數(shù)模轉換器 ADC0809進行數(shù)據(jù)轉換控制，發(fā)出控制信號；火災分析判斷模塊，其功能是根據(jù)采集轉換好的數(shù)據(jù)與災情預設值比較進行邏輯判斷環(huán)境的火災狀態(tài)，并根據(jù)判斷結果給出報警驅動 信號，驅動報警裝置報警；火災等級顯示指示模塊，其功能是根據(jù)邏輯判斷得知環(huán)境狀態(tài)的火災等級將其用數(shù)碼管顯示，并有指示燈指示等級狀態(tài)。 火災報警系統(tǒng)控制器的系統(tǒng)框圖如（ 31）所示。 其中， CLKIN 為時鐘輸入信號，時鐘上升沿敏感； REST 為復位信號，高電平有效是系統(tǒng)復位，重啟工作； HANDWORK 為手動輸入報警信號； ADCEOC 為數(shù)模轉換器 ADC0809 轉換結束控制信號輸入； ADCDATA[7? 0]數(shù)模轉換器 ADC0809 輸出的 8 大學本科畢業(yè)論文 12 位數(shù)據(jù)； ADCADD 為數(shù)模轉換 器 ADC0809 通道選擇控制信號輸出； ADCSTART、 ADCRST、ADCALE、 ADCCOE 為數(shù)模轉