基于fpga的病房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書doc-資料下載頁

　　

【正文】 有簡單靈活的特點(diǎn)。不管通過上述哪種接口形式傳送數(shù)據(jù)，都是按照一個(gè)一個(gè)的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送和接受的。 比如一個(gè)數(shù)據(jù)幀有11個(gè)位，其中數(shù)據(jù)位為7個(gè)。校驗(yàn)位是對(duì)要傳輸?shù)?個(gè)數(shù)據(jù)位的校驗(yàn)值，校驗(yàn)方式可以設(shè)定，一般為奇校驗(yàn)或者偶校驗(yàn)。在數(shù)據(jù)幀當(dāng)中，起始位和停止位是固定的，只有中間的數(shù)據(jù)位及其校驗(yàn)位是可變的。通訊的雙方就是按照這樣的幀格式來交換數(shù)據(jù)的，數(shù)據(jù)交換是通訊的基本，在此基礎(chǔ)上通訊雙方建立有一定的數(shù)據(jù)處理規(guī)程——通訊協(xié)議。EIARS232C對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。　　在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=3V～15V。邏輯0(SPACE)=+3～＋15V。　　在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號(hào)有效(接通，ON狀態(tài)，正電壓)＝+3V～+15V。信號(hào)無效(斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)=3V～15V。 以上規(guī)定說明了RS323C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號(hào)）的電平低于3V，邏輯“0”（空號(hào)）的電平高于+3V；對(duì)于控制信號(hào)；接通狀態(tài)(ON)即信號(hào)有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號(hào)無效的電平低于3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來，介于3～+3V之間的電壓無意義，低于15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在177。(3～15)V之間。 EIARS232C與TTL轉(zhuǎn)換：EIARS232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在EIARS232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC148SN75150芯片可完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC148SN75154可實(shí)現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTL←→EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。 本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，通過傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比、系統(tǒng)的要求，選用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20測(cè)量溫度、數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11測(cè)量溫濕度、光敏二極管測(cè)量光照度。系統(tǒng)時(shí)鐘使用專門芯片DS1302顯示時(shí)間，簡單、方便、準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)通信采用RS232，多路測(cè)量數(shù)據(jù)和報(bào)警設(shè)定值、服務(wù)信息組成一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送到上位機(jī)。第五章 下位機(jī)程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體程序設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)功能簡介：系統(tǒng)上電后，檢測(cè)到啟動(dòng)按鍵按下后，將開始啟動(dòng)傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示在LCD上，當(dāng)前時(shí)間和日期也可以在LCD上顯示。系統(tǒng)對(duì)數(shù)字傳感器采用了即插式檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)字傳感器時(shí)，LCD上顯示傳感器的類型和測(cè)量數(shù)據(jù)，比如DHT11插入I/O口，系統(tǒng)檢測(cè)到傳感器存在，就開始啟動(dòng)傳感器進(jìn)行測(cè)量。無傳感器時(shí)，LCD上顯示無傳感器，比如沒有溫濕度傳感器，就顯示“NO DHT11_A” 。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時(shí)將啟動(dòng)報(bào)警應(yīng)對(duì)機(jī)制。如果病人需要服務(wù)時(shí)，把手放入熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi)或紅外感應(yīng)區(qū)，即可將請(qǐng)求信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)實(shí)時(shí)的顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)的環(huán)境參數(shù)。 下位機(jī)程序框圖 溫度傳感器DS18B20的程序設(shè)計(jì)DS18B20是單總線的數(shù)字溫度傳感器。單總線節(jié)省I/O資源、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)。所有的單總線器件要求采用嚴(yán)格的信號(hào)時(shí)序，以保證數(shù)據(jù)的完整性。DS18B20共有6種信號(hào)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(hào)，除了應(yīng)答脈沖以外，都是由主機(jī)發(fā)出的同步信號(hào)，并且發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的地位在前。FPGA根據(jù)應(yīng)答信號(hào)可以檢測(cè)DS18B20是否存在，所以程序設(shè)計(jì)中加入了檢測(cè)DS18B20的存在與否程序，并且將檢測(cè)結(jié)果送到控制LCD顯示的模塊。FPGA讀寫DS18B20的過程主要是初始化、跳過ROM、啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換、等待1S、初始化、跳過ROM、讀取暫存器結(jié)果。 DS18B20的程序設(shè)計(jì)流程圖 溫濕度傳感器DHT11的程序設(shè)計(jì)DHT11的數(shù)據(jù)傳輸采用單總線數(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，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。FPGA傳感器上電后，要等待1S以越過不穩(wěn)定狀態(tài)。在此期間FPGA無需發(fā)送任何指令。然后FPGA向數(shù)據(jù)線上發(fā)送初始化信號(hào)，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，開始一次溫度采集。等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，F(xiàn)PGA檢測(cè)到響應(yīng)信號(hào)后，將存在標(biāo)志位置1，否則將存在標(biāo)志位置0。DHT11再送出40bit的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接收到40位數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，校驗(yàn)正確將數(shù)據(jù)送出，不正確數(shù)據(jù)丟棄。下次的數(shù)據(jù)采集仍然需要初始化，但是FPGA不用再次等待1S的時(shí)間。DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。 DHT11的初始化程序 AD模塊的程序設(shè)計(jì)Fusion模擬系統(tǒng)的核心是一個(gè)可編程的逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC支持8位、10位、12位操作模式，并且可以通過一個(gè)32：1的多路選擇器實(shí)現(xiàn)32個(gè)采樣通道輸入。使用AD模塊只需進(jìn)行簡單的配置即可實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。需要配置的模塊有時(shí)鐘模塊、Flash模塊、Analog模塊。時(shí)鐘模塊為整個(gè)A/D模塊提供時(shí)鐘，F(xiàn)lash模塊存儲(chǔ)用戶對(duì)模擬模塊的設(shè)置，Analog按照Flash模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集的結(jié)果為并行數(shù)據(jù)。根據(jù)Analog的數(shù)據(jù)輸出有效、以及當(dāng)前通道標(biāo)志來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。處理后的數(shù)據(jù)送至設(shè)計(jì)的FPGA顯示模塊和發(fā)送模塊。A/。 A/D模塊的程序設(shè)計(jì) 時(shí)鐘芯片DS1302的程序設(shè)計(jì)DS1302工作時(shí)為了對(duì)任何數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行初始化，需要將復(fù)位腳置為高電平，將8位地址和命令信息裝入移位寄存器，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿串行輸入，之后的時(shí)鐘周期開始讀操作，將8位地址發(fā)送到DS1302，然后數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿串行輸出。關(guān)于時(shí)間的寄存器共有7個(gè)，分別為秒、分、時(shí)、日、月、周、年寄存器。 時(shí)鐘芯片DS1302的程序設(shè)計(jì) LCD顯示程序設(shè)計(jì)LCD1602使用首先調(diào)用清屏命令，將LCD上的數(shù)據(jù)清除掉，再設(shè)置LCD的顯示模式為8位2行點(diǎn)陣，顯示器開、光標(biāo)不閃爍、文字不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移。設(shè)置結(jié)束后，檢測(cè)顯示模式鍵是否按下，若按下更改顯示模式。按鍵檢測(cè)完畢后，讀取顯示數(shù)據(jù)，每行的顯示數(shù)據(jù)長度均為16位，第一行寫完16個(gè)后，接著進(jìn)行第二行的數(shù)據(jù)的顯示。LCD顯示的內(nèi)容有溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)等。 LCD的顯示程序示意圖 請(qǐng)求信息的程序設(shè)計(jì)請(qǐng)求信息的核心是紅外發(fā)射和接收部分。當(dāng)人體進(jìn)入紅外發(fā)射和接收之間的通道，就阻擋了紅外線的發(fā)射，紅外接收部分的輸出電平將會(huì)發(fā)生變化，人體的某個(gè)部分移出紅外發(fā)射和接收部分，紅外接收部分的輸出電平將恢復(fù)為原來的電平。紅外接收部分的輸出電平連接到FPGA的I/O端口，F(xiàn)PGA通過檢測(cè)I/O端口的電平變化就可以得知是否有請(qǐng)求信息。有請(qǐng)求信息，F(xiàn)PGA根據(jù)I/O端口產(chǎn)生相應(yīng)的信息，將LED服務(wù)指示燈點(diǎn)亮，將請(qǐng)求信息發(fā)送到信息傳輸模塊。 請(qǐng)求信息的程序設(shè)計(jì) 串口發(fā)送程序設(shè)計(jì)病房的測(cè)量數(shù)據(jù)通過串口將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。FPGA將溫濕度傳感器測(cè)量的信號(hào)，以及光照傳感器測(cè)量的信號(hào)，通過RS232將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。檢測(cè)允許發(fā)送標(biāo)志位，若為1則啟動(dòng)串口發(fā)送，否則一直檢測(cè)發(fā)送標(biāo)志位。為了上位機(jī)能夠正確的接收數(shù)據(jù)，加上了開始標(biāo)識(shí)符，然后是溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)、溫度上限、溫度下限、濕度上限、濕度下限、光照上限、光照下限、服務(wù)信息。每次數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的長度為76，開始標(biāo)識(shí)符為ABCD。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了4個(gè)房間。房間1和房間2的數(shù)據(jù)都有溫度、濕度、光照。房間3和房間4的數(shù)據(jù)只有溫度數(shù)據(jù)。 串口數(shù)據(jù)包格式開始標(biāo)識(shí)符房間1溫度房間1濕度房間1光照房間2溫度房間2濕度房間2光照房間3溫度房間3溫度 串口的程序設(shè)計(jì) 本章小結(jié)本章對(duì)下位機(jī)的主要程序進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，給出了程序的流程圖。設(shè)計(jì)使用的方法是自上向下，逐步分解，分而治之。模塊化設(shè)計(jì)控制了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)易于維護(hù)和功能擴(kuò)充。將下位機(jī)的程序按功能分割成一些小模塊，這些模塊有溫度模塊、濕度模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、DS1302的時(shí)鐘模塊、請(qǐng)求信息模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊、通信模塊。這些模塊如果只有程序內(nèi)部的改動(dòng)、輸入輸出端口沒有改動(dòng)，那么不用重新改動(dòng)連線。所以程序的設(shè)計(jì)要盡量采用模塊化設(shè)計(jì)的方法。第六章 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)FPGA將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)軟件采用LabVIEW。在上位機(jī)上，數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)的圖形化顯示、自動(dòng)存儲(chǔ)，并且通過網(wǎng)絡(luò)連接可以訪問測(cè)量數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)可供查詢。 虛擬儀器概述LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS232和RS485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/PI、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。LabVIEW軟件為工程領(lǐng)域各行各業(yè)的初級(jí)編程人員和高級(jí)程序員們提供直觀圖形化的編程方式。LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流編程語言和程序框圖式編程方法，能夠很自然地表示數(shù)據(jù)的流程，并直觀地將用戶界面控件映射到數(shù)據(jù)上，因此可以簡單地瀏覽、修改或控制輸入信號(hào)。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器” 。該技術(shù)把儀器分為計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量儀器(包括GPIB、RS232等傳統(tǒng)儀器以及新型的VXI模塊化儀器)為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件(處理器、存儲(chǔ)器、顯示器)和測(cè)量儀器(頻率計(jì)、示波器、信號(hào)源)等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源(包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、過程通訊以及圖形用戶界面)有機(jī)的結(jié)合起來。 數(shù)據(jù)庫測(cè)試系統(tǒng)簡介現(xiàn)代的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)大多需要對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行全方位檢測(cè)，多傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)應(yīng)用，從而有利于獲取對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)，這同時(shí)也會(huì)使產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量急劇增長。面對(duì)大量的數(shù)據(jù)信息無論是手工數(shù)據(jù)管理還是文件系統(tǒng)管理方式都無法正確反映各類數(shù)據(jù)之間的密切聯(lián)系，都不能有效的管理和組織數(shù)據(jù)。因此以數(shù)據(jù)庫為中心，以數(shù)據(jù)管理為重點(diǎn)，構(gòu)建的基于數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)的虛擬儀器系統(tǒng)是現(xiàn)代的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 基于數(shù)據(jù)庫的虛擬儀器的測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)框圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)主要研究如何存儲(chǔ)、使用和管理數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展的新階段，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。當(dāng)前，數(shù)據(jù)庫技術(shù)已成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的核心技術(shù)，數(shù)據(jù)庫已成為計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的組成核心。 數(shù)據(jù)庫的連接LabVIEW本身并不具備數(shù)據(jù)庫訪問功能，通常有以下3種方式來解決這個(gè)問題。(1)利用公司的附加工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問。雖然這個(gè)工具包比較昂貴,但是用戶可以對(duì)數(shù)據(jù)庫比較方便的訪問。利用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問不需要用戶對(duì)控件以及語言有較深的了解。(2)利用其他語言，如Visual C++編寫DLL程序訪問數(shù)據(jù)庫，再利用LabVIEW帶的DLL接口訪問該程序，這樣可以實(shí)現(xiàn)間接訪問數(shù)據(jù)庫，但這樣工作量太大。(3)利用LabVIEW的ActiveX功能，調(diào)用Microsoft ADO控件，利用SQL語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問。利用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問需要用戶對(duì)Microsoft ADO控件以及SQL語言有較深的了解，并且需要從底層進(jìn)行復(fù)雜的編程才能實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于大多數(shù)用戶來講也是不現(xiàn)實(shí)的。 訪問數(shù)據(jù)庫的方法不只三種，數(shù)據(jù)庫主要有關(guān)系型和非關(guān)系型。 數(shù)據(jù)庫訪問的層次結(jié)構(gòu)圖在利用LabVIEW數(shù)據(jù)庫工具包操作數(shù)據(jù)庫之前，需要先連接數(shù)據(jù)庫，這就像操作文件之前，先要打開文件一樣。連接數(shù)據(jù)庫有兩種方法：一種是利用DSN連接數(shù)據(jù)庫，另外一種是利用UDL連接數(shù)據(jù)庫。 利用DSN連接數(shù)據(jù)庫ODBC(Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫互連)是微軟公司開放服務(wù)結(jié)構(gòu)(WOSA，Windows Open Services Architecture)中有關(guān)數(shù)據(jù)庫的一個(gè)組成部分，它建立了一組規(guī)范，并提供了一組對(duì)數(shù)據(jù)庫訪問的標(biāo)準(zhǔn)API(應(yīng)用程序編程接口)。這些API利用SQL來完成其大部分任務(wù)。ODBC本身也提供了對(duì)SQL語言的支持，用戶可以直接將SQL語句送給ODBC。開放式數(shù)據(jù)庫連接(ODBC)技術(shù)為訪問不同種類的SQL 數(shù)據(jù)庫提供了通用接口。ODBC 是基于結(jié)構(gòu)查詢語言(SQL)的，以此作為訪問數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。此接口提供了最大的互操作性：一個(gè)應(yīng)用程序可以通過一組公用代碼訪問不同的 SQL 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)。這使得開發(fā)人員能夠在不以特定的DBMS為目標(biāo)的情況下構(gòu)建和分發(fā)一個(gè)客戶端/服務(wù)器應(yīng)用程序。然后，會(huì)添加數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)程序以將應(yīng)用程序鏈接到用戶選擇的DBMS。應(yīng)用程序要訪問一個(gè)數(shù)據(jù)庫，首先必須用ODBC管理器注冊(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)源，管理器根據(jù)數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)庫位置、數(shù)據(jù)庫類型及ODBC驅(qū)動(dòng)程序等信息，建立起ODBC與具體數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系。這樣，只要應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)源名提供給ODBC，ODBC就能建立起與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的連接。LabVIEW 數(shù)據(jù)庫工具包基于ODBC技術(shù)，在使用ODBC API函數(shù)時(shí)，需要提供數(shù)據(jù)源名DSN(Data Source Names)才能連接到實(shí)際數(shù)據(jù)庫，所以我們需要首先創(chuàng)建DSN。 LabVIEW 數(shù)據(jù)庫工具包基于ODBC技術(shù) 利用UDL連接