【正文】 入容限有多種方式達(dá)到。單端I/O支持最高頻率為250MHz。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。 溫度傳感器DS18B20的電路設(shè)計(jì)當(dāng)FPGA與DS18B20 連接時，可采用寄生電源或外部電源兩種供電方式。采用寄生電源工作方式時可節(jié)省一根導(dǎo)線，但測量時間較長，精度稍差，且工作溫度不能高于100 ℃；當(dāng)采取外部電源工作方式時則多用一根導(dǎo)線，但測量速度較快、精度高，工作溫度可高于100 ℃。本系統(tǒng)采用了外部電源供電，這樣從一定程度上減少了程序的復(fù)雜度，增加了測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 FPGA與DS18B20的連接示意圖當(dāng)數(shù)據(jù)總線只掛單個DS18B20型溫度傳感器時，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。掛接多個DS18B20時，必須事先讀取每個DS18B20的序列號，但每次進(jìn)行存儲器操作前都要進(jìn)行匹配操作，軟件設(shè)計(jì)流程較復(fù)雜，編程較麻煩，而且在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)單總線上掛多個DS18B20時，就要考慮總線驅(qū)動問題。此外，如果用DS18B20進(jìn)行長距離測溫要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。如果測溫距離較近，為便于軟件編程，可將多個DS18B20分別與FPGA的I/O引腳相連，每個測溫點(diǎn)單獨(dú)測量。 溫濕度傳感器DHT11的電路設(shè)計(jì)當(dāng)FPGA和DHT11連接時，使用外部獨(dú)立供電。數(shù)據(jù)端口需要上拉電阻，電阻值的大小和距離有關(guān)。當(dāng)連接線的長度短于20米時用5K上拉電阻，大于20米的時候根據(jù)實(shí)際情況選用合適的上拉電阻。 FPGA和DHT11的連接示意圖DHT11的供電電壓為3～。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。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nF 的電容，用以去耦濾波。 光照傳感器的電路設(shè)計(jì)。本電路是由穩(wěn)壓管，光敏二極管和電橋組成。當(dāng)無光照時，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。有光照時，光敏二極管產(chǎn)生I，A點(diǎn)電位VA下降，R2上的電流下降，VB減小。光照不同，所產(chǎn)生的電流也不同。 光照度測量電路 系統(tǒng)時鐘芯片實(shí)時時鐘芯片與FPGA的接口根據(jù)其數(shù)據(jù)傳送方式可分為兩種：一種是以并行方式連接，如MC14681DS1288MSM5832等，并行接口方式數(shù)據(jù)傳送速度較快，但接口擴(kuò)展電路較復(fù)雜，需要考慮接口擴(kuò)展時的驅(qū)動能力，而且并行接口芯片本身需占用較大的印制板空間，連線多。另一種是以串行方式與FPGA連接，如DS1302。這種芯片占用空間小，連線簡單。一般只需占用FPGA的2～3條I/O口線可提高工作可靠性，大大減少線路板的面積和儀器的體積，特別適用于結(jié)構(gòu)緊湊的場合。每一個實(shí)時采集系統(tǒng)都要有系統(tǒng)時鐘，本系統(tǒng)作為一個在病房應(yīng)用的系統(tǒng)也應(yīng)該提供系統(tǒng)時間。系統(tǒng)時間除了方便病人外，還可以為測量的溫度、濕度、光照數(shù)據(jù)加入時間標(biāo)示。DS1302可以提供的時間信息有年、月、日、星期、時、分、秒，當(dāng)本系統(tǒng)的DS1302芯片的備用電源端接有電池或大電容時，系統(tǒng)的時鐘仍在運(yùn)行，下次啟動時，可以直接讀取系統(tǒng)時間。高性能，低功耗，帶RAM串行實(shí)時時鐘芯片DS1302作為系統(tǒng)時鐘，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確時間。 時鐘芯片DS1302簡介DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片內(nèi)含有一個實(shí)時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM。通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信實(shí)時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、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。DS1302與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信僅需用到三個口線(1)RES復(fù)位；(2)I/O數(shù)據(jù)線；(3)SCLK串行時鐘。DS1302 工作時功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW。DS1302是由DS1202改進(jìn)而來增加了以下的特性：雙電源管腳，用于主電源和備份電源供應(yīng)；Vcc1為可編程涓流充電電源；附加七個字節(jié)存儲器。下面將DS1302的主要性能指標(biāo)作一綜合：(1)實(shí)時時鐘具有能計(jì)算2100 年之前的秒分時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,小于300nA；(6)讀/寫時鐘或RAM數(shù)據(jù)時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 的基本組成和工作原理1. DS1302引腳功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。XX2為振蕩源。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。 DS1302管腳圖 DS1302引腳功能表編號名稱功能1Vcc2 主電源2，3X1,X2接32768Hz晶振4GND地線5RST復(fù)位6I/O數(shù)據(jù)輸入輸出7SCLK串行時鐘8Vcc1備用電源。DS1302的一次數(shù)據(jù)傳送是從發(fā)送控制字節(jié)開始的?？刂谱止?jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1；位6表示要讀寫的數(shù)據(jù)類型，為0表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)；位5至位1指示要操作單元的地址；最低有效位(位0)表示命令類型，為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示要進(jìn)行讀操作?？刂谱止?jié)總是從最低位開始輸出。 DS1302的控制字節(jié) RST輸入有兩種功能：(1)RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；(2)終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送。當(dāng)RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中置RST為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，并且I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時，在VCC≥，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位至高位7。向DS1302寫入數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)在控制字節(jié)輸入后的下一個SCLK周期的上升沿被寫入，多余的SCLK將被忽略。數(shù)據(jù)寫入時從低位(位0)開始；同樣，從DS1302讀取數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)在緊跟控制字節(jié)后的下一個SCLK的下降沿讀出，讀出數(shù)據(jù)時也是從低位(0位)到高位(7位)，只要/RST保持高電平，額外的SCLK將導(dǎo)致數(shù)據(jù)字節(jié)的持續(xù)讀出，這個特性用于實(shí)現(xiàn)該芯片的突發(fā)讀模式。 DS1302的讀時序 DS1302的寫時序5. DS1302的寄存器DS1302共有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式，其日歷、。DS1302還有控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM 相關(guān)的寄存器等。時鐘突發(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。 DS1302的日歷、時鐘寄存器及其控制字DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類，一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0HFDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM 寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM 的31個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH (讀)。 DS1302的電路設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA使用3個IO口分別與DS1302串行總線的I/O、SCLK、/RST相連，其中I/O需規(guī)定為雙向口線，DS1302的Vcc1接系統(tǒng)電源Vcc。Vcc2接可充電電池或超大容量電容器，啟動DS1302的涓流充電器功能，根據(jù)充電電流的大小選擇充電二極管為一只或兩只，選擇限流電阻為2K、4K或8K，根據(jù)充放電時間選擇電容器容量或電池容量。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。XX2之間接一只32768HZ晶體即可，注意連線盡量要短。 FPGA與與DS1302的連接示意圖 請求信息系統(tǒng)的應(yīng)用地點(diǎn)是在病房，所以為了更加的體現(xiàn)設(shè)計(jì)的人性化之處，增加了請求信息的發(fā)送部分。傳統(tǒng)的請求信息的設(shè)計(jì)，一般是使用按鍵，但從病人的身體狀況考慮，按鍵有時不是很方便。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。當(dāng)病人在病房需要醫(yī)生服務(wù)時，可將手放入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的感應(yīng)區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)將認(rèn)為這是一次有效的請求信息，然后將信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)收到信息后，將進(jìn)行聲音提醒。請求信息的電路由紅外發(fā)送和紅外接收部分組成，利用的是紅外線的發(fā)送和接收。非接觸式的設(shè)計(jì)使的操行性上更加人性化。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)光二極管的反向電阻通常為數(shù)百千歐至無窮大，其正向電阻有15～40kΩ之間。當(dāng)輸入(CON1)為低電平時，74LS04的2引腳輸出高電平，4引腳輸出低電平，紅外發(fā)射管TX發(fā)出紅外線，向外傳輸數(shù)據(jù)。三極管的基極為高電平，三極管導(dǎo)通，LED指示燈亮。 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。當(dāng)紅外接收管RX沒有接收到紅外線時 ，紅外接收管的電阻特別大。當(dāng)紅外接收管收到紅外線后電阻為34kΩ左右，沒有紅外線照射時反向電阻大于5O0kΩ。紅外接收管接收到紅外線后，74LS04的5號引腳的輸入為低電平，74LS04的8號引腳輸出低電平，LED指示燈發(fā)光，CON1輸出低電平。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。 紅外接收電路 信息存儲本系統(tǒng)對病房的環(huán)境進(jìn)行測量，測量的數(shù)據(jù)以及設(shè)定的報警值應(yīng)該可以保存。數(shù)據(jù)的存儲使用IS61LV25616AL來存儲。IS61LV25616AL屬于SRAM型，即靜態(tài)RAM，其數(shù)據(jù)存取速度卻非常之快，高達(dá)7ns。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。 IS61LV25616AL與FPGA的硬件連接示意圖電阻RRR3為上拉電阻，保證FPGA在上電瞬間，SRAM無意外的讀寫信號。 液晶顯示液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)的人機(jī)交互除了按鍵外，還有顯示。系統(tǒng)用液晶顯示器顯示溫度、濕度、光照、系統(tǒng)時間等。顯示內(nèi)容通過按鍵切換。LCD1602字符型液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，每行16個字符，外圍電路配置簡單。V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高(對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度)。 LCD1602的引腳功能引腳名稱功能1Vss地2VDD電源3Vo對比度調(diào)整4RS寄存器選擇端5R/W讀寫控制端6Enable使能控制端7～14DO～D7數(shù)據(jù)總線15LED+背景光源16LED背景地液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H)，顯示時模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。讀的時候，先讀左邊那列，再讀上面那行，如：感嘆號！的ASCII為0x21，字母B的ASCII為0x42(前面加0x表示十六進(jìn)制)。寫操作時序與讀操作時序的區(qū)別在與LCD使能后，RS為低電平，讀操作的時序中，RS為高電平。 LCD1602的讀寫時序LCD1602使用前必須進(jìn)行初始化，初始化設(shè)置如下。(1)顯示模式設(shè)置指令碼：00111000，設(shè)置16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口。(2)顯示開/關(guān)：00001DCB，D=1，開顯示；D=0關(guān)顯示。C=1，顯示光標(biāo)；C=0，不顯示光標(biāo)。B=1，光標(biāo)閃爍；B=0，光標(biāo)不顯示。(3) 光標(biāo)設(shè)置：000001NS， N=1,當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加一，且光標(biāo)加一。N=0，當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址指針減一，且光標(biāo)減一。S=1，當(dāng)寫一個字符，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。 S=0，當(dāng)寫一個字符，整屏顯示不移動。(4)數(shù)據(jù)控制：控制器內(nèi)部設(shè)有一個數(shù)據(jù)地址指針，用戶可通過它們來訪問內(nèi)部的全部80字節(jié)的RAM。數(shù)據(jù)指針設(shè)置：80H+地址碼(0～27H，40～67H)，設(shè)置數(shù)據(jù)指針。 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。其物理接口通常有RS232口以及RS422/RS485口。RS232口一般用作點(diǎn)對點(diǎn)的通訊方式。而RS422/RS485為一點(diǎn)對多點(diǎn)的通訊方式。RS485是一種半雙工模式，即收發(fā)不能同時，而RS422為全雙工模式，通訊速率比RS485提高了一倍。RS232和RS422/RS485都是靠電壓訊號來傳輸?shù)摹＿@幾種物理接口各有優(yōu)缺點(diǎn)和各自適用的場所。RS232口是PC機(jī)上通用的串口，適用范圍廣泛。RS232口是PC機(jī)上通用的串口，適用范圍廣泛。其通訊距離在15m左右，通訊質(zhì)量容易受到外界干擾。RS422/RS485采用的是差分驅(qū)動的方式來傳輸訊號的，所以其傳輸距離和傳輸質(zhì)量都有很大的提高。其最大的傳輸距離能夠超過1Km，能最大支持的傳輸速率達(dá)到了10Mbps 。 串口通訊的協(xié)議具