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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于FPGA的病房环境监测系统65毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求
2、提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作
3、者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支
4、持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）
5、设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于FPGA的病房环境监测系统摘要病房环境舒适度是现代医院整体服务质量的重要评价指标之一，而病房环境参数的有效测量，则是评价病房环境的必要前提。早期对于病房环境监测的方式比较简单，检测的方法主要是对室内温度、湿度等环境参数的单一测量，数据记录也仅限于手工抄写，这种方式不便于数据的统计和分析。本文提出了一种基于FPGA病房环境检测系统，实现对病房环境多种参数的有效监测。系统可以有效提高病房环境监测的效率，为提高现代医院的服务质量和水平提供了一种有效的实现途径。本系统设计分为本地检测终端和远程上位机信息管理两大
6、部分。本地检测终端采用Actel公司的Fusion系列FPGA作为控制核心，外围选用先进的传感器，实现对温度、湿度、光照等室内环境参数的数据监测。本地系统功能还包括数据的实时显示、数据通信、超限报警以及病人呼叫服务等。上位机监控画面采用LabVIEW搭建，主要实现数据存储、趋势曲线显示、历史数据查询等功能。论文首先介绍了国内外相关技术的发展概况与测量的相关知识，然后详细论述了系统的硬件设计过程和软件设计流程，最后给出了系统的调试结果，并对在设计中常遇到的一些问题的解决方法及经验体会进行了总结。关键字：FPGA；病房环境；温度、湿度、光照监测；LabVIEWThe hospital ward e
7、nvironmental monitoring system Based on FPGAAbstractThe hospital ward environment comfort level is one of modern hospital whole grade of service important evaluating indicators, but hospital ward environment parameter effective survey, is appraises the hospital ward environment the prerequisite. The
8、 early time is quite simple regarding the hospital ward environmental monitorings way, the examination method is mainly to environment parameter and so on indoor temperature, humidity sole surveys, the data record also is only restricted in the manual transcription, this way is not advantageous for
9、the data the statistics and the analysis. This article proposed one kind based on the FPGA hospital ward environment examination system, realizes to the hospital ward environment many kinds of parameter effective monitors. The system may enhance the hospital ward environmental monitoring effectively
10、 the efficiency, to enhance the modern hospital the grade of service and the level provides one kind effectively to realize the way. this system design divides into local examines the terminal and the long-distance superior machine information management two major parts. This locality examines the t
11、erminal to use Actel Corporations Fusion series FPGA to take the control core, the periphery selects the advanced sensor, realizes to indoor environment parameter and so on temperature, humidity, illumination data monitors. The local system function also includes the data the real time display, the
12、data communication, ultra to limit the warning as well as the patient calls the service and so on. The superior machine monitoring meets uses the LabVIEW build, mainly realizes functions and so on data storage, trend curve demonstration, historical data inquiry. the paper first introduced the domest
13、ic and foreign correlation techniques development survey and the survey related knowledge, then elaborated systems hardware design process and the software design flow in detail, finally has given systems debugging result, and to some question solution which and the experience often meets in the des
14、ign realized that has carried on the summary.Key words: FPGA；hospital ward environment ；Humiture、Light monitor ；LabVIEW目录摘要IAbstractII第一章 引言11.1系统设计的目的和意义11.2研究的内容及实现手段11.2.1 Verilog语言的特点11.2.2 EDA工具的选择及实现手段21.2.3 LabVIEW的特点21.3本章小结3第二章 测量原理42.1温湿度以及光照度的相关知识42.2温湿度、光照度的测量方法42.2.1温度的测量方法42.2.2湿度的测量方法
15、52.2.3光照度的测量方法52.3本章小结6第三章 FPGA的设计流程73.1 设计输入73.2 设计综合83.3 仿真验证93.4 布局布线93.5 下载验证103.6 本章小结10第四章 硬件系统的设计114.1 设计思想114.2 设计过程124.2.1 FPGA开发板简介124.2.2 传感器的选型134.2.3 传感器的电路设计194.2.4 系统时钟芯片204.2.5 请求信息244.2.6 信息存储264.2.7 液晶显示264.2.8 通信传输284.3本章小结30第五章 下位机程序设计315.1 系统的总体程序设计315.2 温度传感器DS18B20的程序设计315.3 湿
16、度传感器DHT11的程序设计325.4 AD模块的程序设计335.5 时钟芯片DS1302的程序设计345.6 LCD显示程序设计355.7 请求信息的程序设计355.8 串口发送程序设计365.9 本章小结37第六章 上位机程序设计386.1 虚拟仪器概述386.2 数据库测试系统简介386.3 数据库的连接396.3.1 利用DSN连接数据库406.3.2 利用UDL连接数据库416.4 系统程序的实现426.4.1 串口采集程序426.4.2 系统登录446.4.3 帐户管理446.4.4 数据查询446.4.5 报表输出456.4.6 UDP发送466.5 程序的运行476.5.1 用
17、户登录476.5.2 帐户管理486.5.3 采集系统486.5.4 查询系统496.5.5 报表输出506.5.6 UDP输出516.5.7 帮助文件526.6 本章小结53参考文献54附录55致谢64第一章 引言1.1系统设计的目的和意义 随着医疗服务的发展，“以病人为中心”的医疗服务模式已经成为现代医院改革与发展的主题。通过了解住院病人对病房环境的适度感评价，可以为改进医院的相关管理提供客观依据。通过对3所医院普外科住院病人的“住院病人对病房环境的适度感评价”调查问卷，了解住院病人对病房环境的适度感评价。结果3所医院普外科住院病人对病房总体评价满意率为66.2%，总体满意评价对病人病情转
18、归的影响无显著性差异。结论是建议从住院病人的需求角度出发，包括物质环境的需求及患者的心理需求，探讨影响住院病人对医院、病房适度感评价的因素,以及提高住院病人对医疗服务的满意程度。病房是与病人接触程度最多的环境，病房的环境将在很大程度上有效的影响病人的康复情况。通过监测病房的环境，可为改善病房环境提供一种有效的途径。早期对于病房环境的检测的方法比较简单，而且不便于统计、分析。检测的方法主要是单个的温度、湿度、光照等检测设备，再由人手动抄写。这种效率十分低，而且工作量大。所以文章提出使用FPGA来对病房的环境进行监测，不仅实现对数据的实时测量、显示、保存和查询，还能降低设计的成本和风险，大大提高监
19、测的效率，促进医院的现代化建设。1.2研究的内容及实现手段本论文的主要内容包括：熟悉并应用硬件描述语言Verilog进行设计；监测病房的温度、相对湿度和光照等；串口通信模块的设计、上位机的设计。下位机设计使用EDA工具，上位机的设计使用LabVIEW。1.2.1 Verilog语言的特点VerilogHDL(Very High Speed Integrated CircuitHDL)是在应用最为广泛的C语言基础上发展起来的一种硬件描述语言。Verilog HDL简单而优美，描述硬件单元的结构简单且易读。在设计仿真中，所需要的功能模块、层级结构、测试向量以及人机交换等都可以用Verilog来实现
20、。VerilogHDL不仅简单、规范，而且容易学习和掌握。它非常类似于C语言编程。Verilog既是一种行为描述的语言也是一种结构描述语言。VerilogHDL有以下特点：(1)支持从系统级到门级电路的描述，同时也支持多层次的混合描述；描述形式可以是结构描述，也可以是行为描述，或者二者兼而有之；(2)既支持同步电路，也支持异步电路；支持传输延迟，也支持惯性延迟，可以更准确地建立复杂的电路硬件模型；(3)支持过程与函数的概念，有助于设计者组织描述，对行为功能进一步分类。1.2.2 EDA工具的选择及实现手段在设计中，AD模块采用了Actel公司的analog模块IP(Intellectual P
21、roperty)。该IP使用Verilog HDL语言进行设计描述，采用了全局同步设计的思想，具有良好的逻辑架构，可方便地进行功能模块的扩展及修改。设计外围器件IP的选择主要根据系统的采集信号来进行选择，因此设计中主要设计了一下几种外围器件：键盘扫描及LED显示电路接口、LCD显示模块的驱动电路接口、两路AD以及两路温湿度、两路温度、串口发送模块。设计中用到的EDA工具包括Actel的libreo IDE 8.4集成开发环境、Synplify公司的Synplify 9.6综合工具以及Actel的FlashPro的下载工具。1.2.3 LabVIEW的特点LabVIEW是一种程序开发环境，由美国
22、国家仪器(NI)公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序(子VI)的结果、单步执行等。虚拟仪器的主要特点有：(1)可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。(2)
23、可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。 (3)用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 1.3本章小结本章对设计的目的和意义进行了简单的介绍，然后叙述了设计中要使用的VerilogHDL、EDA、LabVIEW。使用EDA工具中提供的一些IP核可以降低设计的难度、缩短设计周期，提高效率。第二章 测量原理2.1温湿度以及光照度的相关知识温度是表示物体冷热程度的物理量，温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标(F)、摄氏温标()、热力
24、学温标(K)和国际实用温标。湿度表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示；若表示在湿蒸汽中液态水分的重量占蒸汽总重量的百分比，则称之为蒸汽的湿度。通常我们所说的环境的湿度就是相对湿度。单位体积空气中所含水蒸汽的质量，称作空气的绝对湿度。相对湿度就是单位体积空气中实际所含水蒸汽的质量和同温度下饱和状态时所含水蒸汽的质量百分比。它一般定义为空气中水蒸汽的分压Ps与同温下饱和水蒸汽分压Pb之比。光照度，即通常所说得勒克司
25、度(lux)，表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。1勒克司相当于1流明/平方米，即被摄主体每平方米的面积上，受距离一米、发光强度为1烛光的光源，垂直照射的光通量。光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。2.2温湿度、光照度的测量方法2.2.1温度的测量方法温度不能直接测定。它的测定是采用间接的手段，通过观察另一种物质一即所谓测温介质的物理特性变化的方法来确定。这种测量方法并没有给测介质温度的绝对值，而仅仅是它和测温介质原始温度相对的温度差，这个原始温度是制定温标时就被规
26、定作为零度。为了测量时的方便，应尽可能的选择这样的物理特性，即它能随温度的改变而单值的变化，不受其它因素的影响，且比较易于精确测定适合这些要求的特性。如体积的膨胀、热电势的产生、电阻和辐射强度的变化等都被用作温度测量的基础，常用的测温仪表有各种温度计和温度传感器。例如，热膨胀是温度计、热电偶、辐射温度计、光高温计等。在温度测控系统中，除了高温、低温和测量精度高于0.1的高级测温技术外，常温范围的温度传感测量和控制技术相当成熟，可以直接选用，而且可选的测量方式也很多。2.2.2湿度的测量方法湿度测量技术中最准确的方法是绝对湿度测量的称重法，国际上普遍使用该法作为湿度基准其次是作为二级检定标准的阿
27、斯曼通风干湿计。但是这两种方法都难以用于自动化测控系统的现场传感测量。工程技术中常采用绝对湿度、相对湿度和露点温度表示法和相应的测量技。绝对湿度测量：也称为水分或微弱水分测量技术，测量的是空气体积中水分的直接含量，各种材料的含水量、电子器件封装、火力发电烟气、高压电器保护气体的测量等，所涉及的范围相当广泛。对应不同的工况环境、被测对象和性能价格比的要求，其测量方式种类也非常多。常用的有电容式、化学露点式，精度较高的有光学露点式和称重、红外、微波等测量方法。相对湿度测量：空气的相对湿度所表达的是其中水气接近饱和的程度，是指力为P，温度为T时空气中水气的摩尔分数与相同条件下纯水表面的饱和水气的摩尔
28、分数之比表示为%RH。2.2.3光照度的测量方法光敏电阻器的电阻值随入射光的强弱而改变；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。所以可以用它来检测光照度。光电二极管在反向电压作用下，把光信号转换成电信号，在没有光照时，反向电流极其微弱；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，光电流与光照度之间呈较好的线性关系。硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结
29、)受到光照时，回路里有电流。2.3本章小结本章首先介绍了一些与测量相关的知识，然后给出了温度、湿度、光照的测量方法。这些方法是测量的基础，设计时要根据系统设计的要求选用合适的方法。第三章 FPGA的设计流程在电子技术设计领域，FPGA应用的领域越来越广。FPGA可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。FPGA设计分为设计输入、综合、功能仿真(前仿真)、实
30、现、时序仿真(后仿真)、配置下载等六个步骤。设计流程如图3.1所示。图3.1 FPGA的设计流程图3.1 设计输入1.IP核的概念IP(Intellectual Property)，也就是知识产权。半导体产业的IP包括有软IP、固IP和硬IP。软IP用计算机高级语言的形式描述功能块的行为，但是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。软IP的最终产品基本上与通常的应用软件大同小异，开发过程与应用软件也十分相象。软IP增大了IP的灵活性和适应性。固IP是完成了综合的功能块，有较大的设计深度，以网表的形式提交客户使用。如果客户与固IP使用同一个生产线的单元库，IP的成功率会比较高。硬IP提供设计的
31、最终阶段产品：掩膜。随着设计深度的提高，后续工序所需要做的事情就越少，当然，灵活性也就越少。本设计中用到的Actel公司的Fusion FPGA芯片有丰富的IP核，常用的IP核有PLL、ADC、UART、SRAM等。合理的使用这些IP核可以降低设计的难度、缩短设计周期。2.设计输入的方式设计输入包括使用硬件描述语言HDL、状态图与原理图输入三种方式。HDL设计方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式。HDL语言描述在状态机、控制逻辑、总线功能方面较强，使其描述的电路能以具体硬件单元较好地实现；而原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化电路等方面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点。常
32、用方式是以HDL语言为主，原理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自特色。传统的设计方法是根据系统的设计需求编写Verilog HDL代码，然后进行综合、仿真、布局布线、下载验证。这种方法设计周期长；重复部分工作；效率低。采用IP核复用技术可以降低成本、提高效率、缩短设计周期。本论文中采用了硬件描述语言HDL输入与IP核复用相结合的方式完成了设计输入。设计需要的某些模块在开发环境中没有，这些模块使用原理图输入，使得硬件电路符合设计的要求。3.2 设计综合综合，就是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、功耗、成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上述要求的电路设计方
33、案。也就是是说，被综合的文件是HDL文件(或相应文件等)，综合的依据是逻辑设计的描述和各种约束条件，综合的结果则是一个硬件电路的实现方案，该方案必须同时满足预期的功能和约束条件。对于综合来说，满足要求的方案可能有多个，综合器将产生一个最优的或接近最优的结果。因此，综合的过程也就是设计目标的优化过程，最后获得的结构与综合器的工作性能有关。Synplify和Synplify Pro是Synplicity公司提供的专门针对FPGA和CPLD实现的逻辑综合工具。该软件提供的Symbolic FSM Compiler是专门支持有效状态机优化的内嵌工具。Synplify对电路的综合包括三个步骤表示如下：1
34、.HDL compilation：把HDL的描述编译成已知的结构元素。2.Optimization：运用一些算法进行面积优化和性能优化，使设计在满足给定性能约束的前提下，面积尽可能的小。这里Synplify进行的是基本的优化与具体的目标器件技术无关。3.Technology mapping：设计映射到指定厂家的特定器件上针对目标器件结构优化生成作为布局布线工具输入的网表。3.3 仿真验证从广义上讲，设计验证包括功能与时序仿真和电路验证。仿真是指使用设计软件包对已实现的设计进行完整测试，模拟实际物理环境下的工作情况。前仿真是指仅对逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能否满足原设计的要求，仿真过
35、程没有加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性，如延时特性；而在布局布线后，提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数，并在此基础上进行的仿真称为后仿真，它是接近真实器件运行的仿真。Modelsim是业界较好的仿真工具，其仿真功能强大，且图形化界面友好，而且具有结构、信号、波形、进程、数据流等窗口。将FPGA设计(以HDL方式)输入后进行编译即可进行前仿真。在仿真时可以编写HDL激励文件或执行组模式方式。组模式方式类似批处理方式，可以连续执行事先在文件中写好的多个执行命令，这对重新仿真或重复执行多个命令特别有效。由Modelsim进行仿真，需要导出VHDL或Verilog HDL网表。此网表是由针对
36、特定FPGA器件的基本单元组成的。除网表外，还需要布局布线输出的标准延时文件(sdf)，将sdf文件加入仿真可以在窗口化界面设置加入，或通过激励指定。3.4 布局布线综合结果的本质是由与、或、非门，触发器，RAM等基本逻辑单元组成的逻辑网表，它与芯片实际的配置情况还有较大的差距。此时使用FPGA产商提供的工具，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑网表适配到具体的FPGA/CPLD上，这个过程就叫做实现(Implementation)，有时实现也直接称为布局布线。所谓的布局布线也是指把综合得到的网表转换为要实现的具体电路布线结构。这个工作是由专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA自动布局
37、布线工具完成的实现分为：翻译(Translate)、映射(Map)和布局布线(Place&Route)这三个步骤。因最新的设计实现工具是时序驱动的，即在器件的布局布线期间对整个信号通道执行时序分析，因此可以使用约束条件操作布线软件，完成设计规定的性能要求。在布局布线过程中，可同时提取时序信息形成报靠。在实现过程中可以进行选项设置。因其支持增量设计，可以使其重复多次布线，且每次布线利用上一次布线信息以使布线更优或达到设计目标。本设计中采用的是Actel公司的Fusion FPGA芯片，因此在实现中采用了Actel的libero集成开发环境。libero将综合网表和Fusion FPGA内部逻辑很
38、好地对应起来，使得FPGA内部资源分配更加合理。3.5 下载验证现在FPGA/IC设计都朝向SOC(System On Chip，片上系统)的方向发展，设计的复杂都大大提高，如何保证这些复杂系统的功能是正确的成了至关重要的问题。 下载是在功能仿真与时序仿真正确的前提下，将布局布线后形成的文件下载到具体的FPGA芯片中，也叫芯片配置。Actel的Fusion FPGA支持上电即可运行，掉电非易失，无需配置芯片。下载硬件上使用计算机的并口，软件选用FlshPro。3.6 本章小结本章对FPGA设计的基本流程进行了简单的介绍，设计的流程是设计输入、设计综合、仿真验证、布局布线、下载验证。设计输入是系
39、统设计的重点，设计输入的方式有很多种，比如Verilog HDL语言输入、原理图输入、IP核。IP核是已经设计成型的，参数可供修改，使用IP核可以减少设计输入的工作量，提高设计的效率。第四章 硬件系统的设计4.1 设计思想本系统分为上位机和下位机。下位机主要涉及病房内温度、湿度、光照的测量与显示，系统时间的显示、报警、数据传输等部分。系统的温度数据有四路，有两路温度测量使用温湿度传感器DHT11，还有两路温度数据使用温度传感器DS18B20。系统的湿度数据有两路，使用温湿度传感器DHT11。光照测量使用光敏二极管，系统时钟使用专门的时钟芯片DS1302。数据的显示采用液晶显示器LCD1602。
40、数据传输采用RS-232，报警采用蜂鸣器。基于FPGA的病房环境监测系统的硬件连接示意图如图4.1所示，系统核心是Fusion FPGA。下位机的开发平台选用了Actel的Fusion FPGA。系统的硬件连接示意图如图4.1所示。光照传感器为模拟式的传感器，经FPGA的A/D转换部分，得到光照数据。温度、湿度测量使用数字式的传感器，FPGA通过对数字式的温度、湿度传感器进行正确读写即可得到温度、湿度数据。当测量数据超出上下限时，系统可以进行报警。时钟芯片为系统提供完整的时间内容。LCD液晶显示器的显示内容通过按键更改。当FPGA检测到请求信息后，请求信息传输到上位机。下位机通过按键控制信息传
41、输，上位机也可控制信息的传输。上位机可将接收的数据实时显示、存入数据库、报警值设定、历史数据浏览、网络查看等功能。图4.1 基于FPGA的病房环境监测系统的硬件连接示意图4.2 设计过程4.2.1 FPGA开发板简介FPGA是英文FieldProgrammable Gate Array的缩写，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的使用非常灵活，同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。病房环境监测系统需要监测多路
42、温度、湿度、光照数据，并且还得实现数据的上传、显示，人机交互等。系统需要实现的功能比较多，用单片机完成实现这些功能难度较大，需构建复杂的电路，所以选用Actel公司的Fusion FPGA开发板来实现。FPGA的功能可以自行设计，可以完成相当复杂的功能。下面开始介绍Fusion FPGA开发板的资源以及芯片的特点。4.2.1.1 芯片资源Fusion FPGA是基于ProASIC3/E的系列芯片，所以具有Flash架构的FPGA所有特点(安全性、可靠性、单芯片、上电即行、非易失性、低功耗等)。Fusion FPGA集成了独特的模拟部分，具有：分辨率高达12位、采样率高达600kbps、30个输
43、入通道、2.56V内部参考源的AD；高达30个模拟的输入I/O，可以承受12V输入电压，并有10个MOSFET门驱动输出，驱动能力可调。片内集成100MHz、精度为%1的RC振荡器；外部可接32KHz20MHz的晶振；具有可编程的实时计数器(RTC)。片内具有1.5V稳压源，可提供内核电压，实现睡眠和待机的低功耗模式。其他资源：具有4Mbit的用户可用的Flash Memory、1kbit的FlashROM、108kbit的RAM；2个PLL，最高频率可达350MHz。Fusion FPGA还支持多种I/O电平标准，具有AES、FlashLock加密技术。4.2.1.2 外设资源开发板上的外设
44、资源：512K字节的SRAM；SP5301 USB PHY，带有迷你USB接口；16*2的液晶；LVDS接口，发送和接收各一路；四个可用的串口，两个带有座子；MiniISA接口，可以扩展ZLG的MiniISA工控板；用户可用的多路模拟I/O接口；32.768KHz以及48MHz晶振；核心板温度、电压、电流检测电路；四路MOSFET驱动电路；5个按键；8个LED；交流蜂鸣器；VGA接口；鼠标键盘接口。4.2.1.3 芯片特点1.单芯片：以Flash为基础的FPGA将配置信息储存在片上Flash单元中，一旦完成编程后，配置数据就会成为FPGA结构的固有部分，在系统上电时并无需载入外部配置数据。2.
45、低功率：Actel以Flash为基础的Fusion器件具有类似于ASIC的功率特性，因而适用于电池供电产品和其它对功耗敏感的应用。Fusion器件还具有低静态和动态功耗，能实现最多的功率节省。这些器件支持睡眠和待机模式运作，可大幅降低功耗。3.上电即行：以Flash为基础的Fusion器件具有上电即行(LAPU)特性，一旦施加正常运作规格内的系统功率，Fusion器件即可工作。这种上电即行特性能够大幅简化整体系统设计，并往往可以省去系统中复杂的可编程逻辑器件 (CPLD) 。与以SRAM为基础的FPGA不同，该器件在系统恢复供电时无需重新载入配置数据。以Flash为基础的Fusion器件能够简
46、化总体系统设计、减低成本和设计风险，同时增强系统可靠性，并缩短系统初始化的时间。4.安全性：Fusion器件包含了Actel FlashLock 功能，提供可重编程性和设计安全性的独特组合，且无外部元件费用。这些优点只有通过带非挥发性Flash 内存的FPGA才能实现。Fusion器件具有基于Flash的128位安全保护机制和业界领先的片上AES解码内核，用于保护经编程的IP和配置数据。4.2.2 传感器的选型4.2.2.1 温度传感器的选型传统的热敏电阻、RTD(电阻温度检测器)、热电偶等温度传感器测量范围有限，一般需要补偿电路来克服非线性误差，且精度和稳定度要求高、电路复杂、成本高、占用硬
47、件资源多、调试过程复杂。数字温度传感器工作范围宽，转换精度高、测量速度快、编程设置灵活，结构简单，无需温度校准和调试，可直接连接到微处理器。对于病房环境中的温度测量，要求精度不是很高，测量范围不是很大。系统设计的测温范围是040，精度为2，FPGA有较多的I/O口，所以设计使用数字式的温度传感器，充分使用了Fusion FPGA的I/O口。较流行的数字温度传感器是带有串行总线接口的传感器，如系统管理总线(SMBus)、串行外围接口总线(SPI)和单总线(1-Wire)等。这些接口有各自的特点,SPI时钟速率较快，且没有系统开销，适用于需要经常进行快速数据流传输的系统；对于系统需要多个主器件共存于同一系统总线上，或者面向低功耗应用，SMBus较为适宜；单总线器件则采用单条连线解决了控制、通信和供电等问题, 能大大降低系统成本, 简化设计。DS18B20是基于单总线的数字式传感器，测温范围是-55+125，可将温度值转化为912位的数字量。并且DS18B20具有温度告警功能，用户可设置高温、低温报警，温度掉电不丢失。外部系统对DS18B