基于FPGA的濕度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)比較大小，如果被減數(shù)大于或等于減數(shù)，差為正，符號記為0;如果減數(shù)小于被減數(shù)，將被減數(shù)與減數(shù)的位置對調(diào)，差為負(fù)，符號記為1;

2)按照二進(jìn)制法逐位減法運(yùn)算;

3)從最低位開始包括被減數(shù)、減數(shù)、差的每4位組成一組，高位不夠4位用零補(bǔ)齊;

4)如果每一組的被減數(shù)大于減數(shù)，則若差大于9，則差減去6，其他不變;

5)如果每一組的被減數(shù)小于等于減數(shù)，則若差大于5(最小1組大于6)，則差減去6，其他不變;

6)修正后的結(jié)果即為頻率差。

隨機(jī)設(shè)計(jì)了幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真測試，如圖5所示，經(jīng)比對，結(jié)果正確。其中a8至a1為被減數(shù)a的高位至低位，即為標(biāo)準(zhǔn)晶振的頻率值;b8至b1為減數(shù)b的高位至低位，即為傳感晶振的頻率值;差為asb8至asb1，符號為sign。

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3.4 物理量轉(zhuǎn)換模塊

在20%至85%這段相對濕度區(qū)間，頻率差與相對濕度值之間的曲線接近線性。設(shè)計(jì)中頻率差與相對濕度值之間的轉(zhuǎn)換以查找表的形式來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)濕度范圍對應(yīng)一組頻率差。通常情況下，由于材料、制作工藝的不同，頻率差的變化也會(huì)有所不同。為了仿真，假定相對濕度變化1%時(shí)，頻率差變化2個(gè)值。

3.5 顯示驅(qū)動(dòng)模塊

后端顯示用LCD1602液晶屏構(gòu)成。由于1602中命令和數(shù)據(jù)共享總線，首先需要對其初始化，目的就在于對總線狀態(tài)、顯示樣式的設(shè)置。初始化過程為清屏→顯示狀態(tài)設(shè)置→工作方式設(shè)置→CG RAM設(shè)置→DD RAM設(shè)置。一旦初始化結(jié)束后，就可以將結(jié)果等內(nèi)容在液晶屏上動(dòng)態(tài)顯示。

4 總體電路測試與仿真

為便于仿真觀察，程序上對時(shí)鐘和信號周期進(jìn)行了修改，但設(shè)計(jì)思路不變，不影響整個(gè)的工作流程。打開Quartus II的仿真器，插入輸入輸出信號，依照實(shí)際情況給出輸入信號波形，仿真結(jié)果如圖6所示。其中clk20M為20 MHz的時(shí)鐘信號，經(jīng)20分頻，得到一個(gè)周期為的閘門信號(實(shí)際中為2s)。因?yàn)閭鞲惺⒕w質(zhì)量因受濕度的影響而增加，其諧振頻率隨之下降，故傳感晶振頻率總小于標(biāo)準(zhǔn)晶振。cnt_clk0、cnt_ clk1分別為兩個(gè)通道的頻率信號，其周期設(shè)置在0 s～3.4μs為8 ns和10 ns，在3.4～6.4 μs至為19 ns和30 ns，在6.4～7.3μs至為35 ns和50 ns;系統(tǒng)一開始清零;result_Q為通道0的頻率測量值，result_Q1為通道1的頻率測量值。在仿真中取頻率的最大變化為50，每1%的相對濕度，有2的變化。由圖可看出，當(dāng)系統(tǒng)在接到清零信號后，立即對計(jì)數(shù)寄存器進(jìn)行了數(shù)據(jù)復(fù)位。當(dāng)測量周期結(jié)束后，分別得到以下數(shù)值：在0 s～3.4μs這一段，通道0計(jì)數(shù)值為125，通道1為100，差值為25，濕度為50%;在3.4～6.4μs至，通道0為53，通道1為33，差值為20，濕度為40%。

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5 結(jié)論

設(shè)計(jì)運(yùn)用了功能強(qiáng)大的FPGA作為濕度測量系統(tǒng)的主要部件，充分發(fā)揮其高度集成的內(nèi)部資源和彌補(bǔ)了硬件上設(shè)計(jì)的漏洞和誤差。文中對相對濕度測量系統(tǒng)中的FPGA部分的程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)說明和仿真，給出總體電路的仿真結(jié)果。證明了設(shè)計(jì)方案的可行性，體現(xiàn)了軟件結(jié)合設(shè)計(jì)所帶來的簡便性和實(shí)用性。

如果將該FPGA測量平臺(tái)與其他外圍硬件電路組合，即可完成濕度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也可用于特殊氣體的檢測。