基于fpga的病房环境监测系统说明书本科毕设论文.docx
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基于fpga的病房环境监测系统说明书本科毕设论文
题目：
基于FPGA的病房环境监测系统
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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。
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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；LabVIEW
Thehospitalwardenvironmentalmonitoring
systemBasedonFPGA
Abstract
Thehospitalwardenvironmentcomfortlevelisoneofmodernhospitalwholegradeofserviceimportantevaluatingindicators,buthospitalwardenvironmentparametereffectivesurvey,isappraisesthehospitalwardenvironmenttheprerequisite.Theearlytimeisquitesimpleregardingthehospitalwardenvironmentalmonitoring'sway,theexaminationmethodismainlytoenvironmentparameterandsoonindoortemperature,humiditysolesurveys,thedatarecordalsoisonlyrestrictedinthemanualtranscription,thiswayisnotadvantageousforthedatathestatisticsandtheanalysis.ThisarticleproposedonekindbasedontheFPGAhospitalwardenvironmentexaminationsystem,realizestothehospitalwardenvironmentmanykindsofparametereffectivemonitors.Thesystemmayenhancethehospitalwardenvironmentalmonitoringeffectivelytheefficiency,toenhancethemodernhospitalthegradeofserviceandthelevelprovidesonekindeffectivelytorealizetheway.thissystemdesigndividesintolocalexaminestheterminalandthelong-distancesuperiormachineinformationmanagementtwomajorparts.ThislocalityexaminestheterminaltouseActelCorporation'sFusionseriesFPGAtotakethecontrolcore,theperipheryselectstheadvancedsensor,realizestoindoorenvironmentparameterandsoontemperature,humidity,illuminationdatamonitors.Thelocalsystemfunctionalsoincludesthedatatherealtimedisplay,thedatacommunication,ultratolimitthewarningaswellasthepatientcallstheserviceandsoon.ThesuperiormachinemonitoringmeetsusestheLabVIEWbuild,mainlyrealizesfunctionsandsoondatastorage,trendcurvedemonstration,historicaldatainquiry.thepaperfirstintroducedthedomesticandforeigncorrelationtechnique'sdevelopmentsurveyandthesurveyrelatedknowledge,thenelaboratedsystem'shardwaredesignprocessandthesoftwaredesignflowindetail,finallyhasgivensystem'sdebuggingresult,andtosomequestionsolutionwhichandtheexperienceoftenmeetsinthedesignrealizedthathascarriedonthesummary.
Keywords:
FPGA；hospitalwardenvironment；Humiture、Lightmonitor；LabVIEW
目录
摘要I
AbstractII
第一章引言1
1.1系统设计的目的和意义1
1.2研究的内容及实现手段1
1.2.1Verilog语言的特点1
1.2.2EDA工具的选择及实现手段2
1.2.3LabVIEW的特点2
1.3本章小结3
第二章测量原理4
2.1温湿度以及光照度的相关知识4
2.2温湿度、光照度的测量方法4
2.2.1温度的测量方法4
2.2.2湿度的测量方法5
2.2.3光照度的测量方法5
2.3本章小结6
第三章FPGA的设计流程7
3.1设计输入7
3.2设计综合8
3.3仿真验证9
3.4布局布线9
3.5下载验证10
3.6本章小结10
第四章硬件系统的设计11
4.1设计思想11
4.2设计过程12
4.2.1FPGA开发板简介12
4.2.2传感器的选型13
4.2.3传感器的电路设计19
4.2.4系统时钟芯片20
4.2.5请求信息24
4.2.6信息存储26
4.2.7液晶显示26
4.2.8通信传输28
4.3本章小结30
第五章下位机程序设计31
5.1系统的总体程序设计31
5.2温度传感器DS18B20的程序设计31
5.3湿度传感器DHT11的程序设计32
5.4AD模块的程序设计33
5.5时钟芯片DS1302的程序设计34
5.6LCD显示程序设计35
5.7请求信息的程序设计35
5.8串口发送程序设计36
5.9本章小结37
第六章上位机程序设计38
6.1虚拟仪器概述38
6.2数据库测试系统简介38
6.3数据库的连接39
6.3.1利用DSN连接数据库40
6.3.2利用UDL连接数据库41
6.4系统程序的实现42
6.4.1串口采集程序42
6.4.2系统登录44
6.4.3帐户管理44
6.4.4数据查询44
6.4.5报表输出45
6.4.6UDP发送46
6.5程序的运行47
6.5.1用户登录47
6.5.2帐户管理48
6.5.3采集系统48
6.5.4查询系统49
6.5.5报表输出50
6.5.6UDP输出51
6.5.7帮助文件52
6.6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。
1.2.1Verilog语言的特点
Verilog HDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuit HDL）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。
VerilogHDL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。
Verilog HDL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。
Verilog HDL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。
1.2.2EDA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（IntellectualProperty）。
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libreoIDE8.4集成开发环境、Synplify公司的Synplify9.6综合工具以及Actel的FlashPro的下载工具。
1.2.3LabVIEW的特点
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（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）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Verilog HDL、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）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3.1FPGA的设计流程图
3.1设计输入
1.IP核的概念
IP（IntellectualProperty），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FusionFPGA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VerilogHDL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
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