基于FPGA的濕度測量系統設計

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

2)按照二進制法逐位減法運算;

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

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

6)修正后的結果即為頻率差。

隨機設計了幾組數據進行仿真測試，如圖5所示，經比對，結果正確。其中a8至a1為被減數a的高位至低位，即為標準晶振的頻率值;b8至b1為減數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 物理量轉換模塊

在20%至85%這段相對濕度區間，頻率差與相對濕度值之間的曲線接近線性。設計中頻率差與相對濕度值之間的轉換以查找表的形式來實現，一個濕度范圍對應一組頻率差。通常情況下，由于材料、制作工藝的不同，頻率差的變化也會有所不同。為了仿真，假定相對濕度變化1%時，頻率差變化2個值。

3.5 顯示驅動模塊

后端顯示用LCD1602液晶屏構成。由于1602中命令和數據共享總線，首先需要對其初始化，目的就在于對總線狀態、顯示樣式的設置。初始化過程為清屏→顯示狀態設置→工作方式設置→CG RAM設置→DD RAM設置。一旦初始化結束后，就可以將結果等內容在液晶屏上動態顯示。

4 總體電路測試與仿真

為便于仿真觀察，程序上對時鐘和信號周期進行了修改，但設計思路不變，不影響整個的工作流程。打開Quartus II的仿真器，插入輸入輸出信號，依照實際情況給出輸入信號波形，仿真結果如圖6所示。其中clk20M為20 MHz的時鐘信號，經20分頻，得到一個周期為的閘門信號(實際中為2s)。因為傳感石英晶體質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準晶振。cnt_clk0、cnt_ clk1分別為兩個通道的頻率信號，其周期設置在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，當系統在接到清零信號后，立即對計數寄存器進行了數據復位。當測量周期結束后，分別得到以下數值：在0 s～3.4μs這一段，通道0計數值為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 結論

設計運用了功能強大的FPGA作為濕度測量系統的主要部件，充分發揮其高度集成的內部資源和彌補了硬件上設計的漏洞和誤差。文中對相對濕度測量系統中的FPGA部分的程序進行了設計說明和仿真，給出總體電路的仿真結果。證明了設計方案的可行性，體現了軟件結合設計所帶來的簡便性和實用性。

如果將該FPGA測量平臺與其他外圍硬件電路組合，即可完成濕度測量系統的設計，同時也可用于特殊氣體的檢測。