毕业论文基于fpga的远程温度检测系统说明书

评阅老师分 数数字系统课程设计 班 级 13级信息过程1班 组 长 麦锐杰 组 员 刘清斌、方加鹏 一、 题目要求基于FPGA和ZigBee的远程温度检测系统：终端进行环境温度的检测，数据返回至控制端 ，实时显示检测到的温度。若温度超过阀值，LED灯闪烁报警。二、 设计方案系统整体思路：温度传感器检测获取温度信息，通过ZigBee协议与FPGA控制板进行数据传输。ZigBee模块1 + 温度传感器ZigBee模块2串行接口FPGA 图1 系统整体框图三、 模块实现(一) ZigBee模块实现1. zigbee介绍：Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，又称为紫蜂协议，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。Zigbee协议从下到上分别分为物理层PHY、媒体访问控制层MAC、传输层TL、网络层NWK与应用层APL。本课程设计中zigbee模块采用的是TI公司生产的CC2530F256芯片，符合2.4G_Hz IEEE802.15.4应用。协议栈使用的是TI公司搭建的Zstack，这是当前业界领先、应用面很广的协议栈，结合OSAL操作系统，使得用户在搭建系统、进行多任务分配方面有很大的便利性。其他协议栈还有freakz、msstatePan等。2. DS18B20温度传感器：DS18B20是当前市场主要的温度传感器之一，主要特性有以下几点：1) 适应电压范围广，电压范围在3.0V5.5V，是多数单片机的供电电压，因此大多数在单片机上使用。2) 它具有一线总线的特点，在于微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20之间的双向通讯。3) DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路类。4) 温度测量范围在-55 125，精度约为0.5。DS18B20温度采集部分：定义DS18B20在CC2530上的输入脚为P0.7：P0DIR &= 0x7f;温度读取主函数如下：unsigned char ReadDs18B20(void) unsigned char V1,V2; /定义高低8位 缓冲 unsigned char temp; /定义温度缓冲寄存器 Ds18b20Initial(); Ds18b20Write(0xcc); / 跳过读序号列号的操作 Ds18b20Write(0x44); / 启动温度转换 Ds18b20Initial(); Ds18b20Write(0xcc); /跳过读序号列号的操作 Ds18b20Write(0xbe); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度 V1 = Ds18b20Read(); /低位 V2 = Ds18b20Read(); /高位 temp = (V1 4)+(V2 & 0x07)*16); /转换数据 return temp;我们从DS1B20读取到用字符串表示的温度值temp，将其送入cc2530模块准备进行发送。3. Zigbee发送部分：1) Zigbee工作模式选取：采用点播方式，给zigbee协调器定义短地址为0x0000：SampleApp_P2P_DstAddr.addr.shortAddr = 0x0000; /协调器短地址给zigbee终端定义短地址为0xFFFF：SampleApp_Periodic_DstAddr.addr.shortAddr = 0xFFFF;/终端短地址2) 串口模式修改：我们在FPGA开发板设计的串口规格是：9600波特率、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位。因此zigbee的串口规格应该也改为与其相同，因此在stack的串口定义函数MT_UART.c进行相应的修改：#define MT_UART_DEFAULT_BAUDRATE HAL_UART_BR_9600/波特率定为9600.uartConfig.callBackFunc = NULL;/关闭zigbee串口的回调。3) zigbee终端与协调器网络搭建过程：图2 ZigBee终端与协调器网络搭建过程4) 终端数据发送过程：当zigbee终端模块从DS18B20接收到数据时，便开始发送模块，触发数据发送任务。点对点发送函数：Void SampleApp_Send_P2P_Message( void )if ( AF_DataRequest( &SampleApp_P2P_DstAddr, &SampleApp_epDesc, SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID, 1, str, &SampleApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS ) = afStatus_SUCCESS ) else / Error occurred in request to send. AF_DataRequest中DstAddr、epDesc为目标地址的属性，SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID为发送任务的ID，触发此ID则进行发送命令。str为我们要发送的数据，我们在此设计中发送的是八位二进制数的温度，因此长度设定为1，str存放的是温度值。 图3 温度数据发送框图实验过程中，设置数据发送的周期SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT为300ms，即0.3秒更新一次温度值。4. ZigBee与FPGA的物理连接zigbee底板通过PL2303芯片与电脑串口进行连接，PL2303芯片是将数字电平信号进行打包，转化成usb协议包，由电脑进行解包。而FPGA底板则是通过MAX232进行连接，max232直接将数字信号转化为RS232模拟电平。因此无法通过USB线将zigbee模块与FPGA开发板直接相连解决办法是在zigbee底板拉出异步传输线TX与RX，直接与cycloneii芯片上的RX和TX对应连接。(二) 基于FPGA的串行接口模块1. 模块概述该串行接口电路用于实现cc2530F256芯片与FPGA的通信，把收到的串行数据转换成并行数据进行输出。由于FPGA只需接收数据，不需要向cc2530F256芯片发送数据，故该接口只由波特率发生器和接收模块组成。2. 波特率发生器图4波特率发生器引脚图波特率发生器即分频器。clk：FPGA提供的系统时钟接入resetb：复位bclk：时钟信号输出，接收模块的时钟输入波特率发生器的VHDL代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity baud is Port (clk,resetb:in std_logic; bclk:out std_logic);end baud;architecture behave of baud isbeginprocess(clk,resetb)variable cnt:integer;begin if resetb=1 then cnt:=0; bclk=330 thencnt:=0; bclk=1; -设置分频系数 elsecnt:=cnt+1;bclk=0; end if; end if;end process;end behave;3. 接收模块1) 接收模块的作用是把收到的串行数据转换成并行数据进行输出 图5 接收器引脚图resetr（输入）：复位信号；bclkr（输入）：输入时钟；rxdr（输入）：串行数据输入信号；rbuf7.0（输出）：并行数据输出总线；r_ready（输出）：数据接收完毕信号。串行接收模块框图如图6，程序在检测到起始位后（rxdr由1跳变到0），计数连续8个接收时钟采样仍然是低电平后，开始接收串行数据，当采样计数器计数结束后，所以数据已移位输入RSR。最后对高电平进行检测，检测到正确的停止位后说明本帧数据接收完毕。将数据转存在数据寄存器RBR中，串/并转换后，输出8位并行数据rbuf7.0。其中，RBR的状态可通过引脚r_ready来表示。r_ready输出高电平1表示数据接收有效。 图6 接收模块工作框图2) 接收模块状态机接收状态机一共有5个状态：等待起始位R_START、求中点R_CENTER、等待采样R_WAIT、采样R_SAMPLE、停止位接收R_STOP。Rxd_sync=0r_startrxd_sync=0xd_syncr_centerr_stopCount=“1110”rcnt=framlenrCount=“0100”r_sampler_waitcount=“1110”rcntframlenr 图7 接收器状态机ASM图3) 接收模块VHDL代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity reciever isGeneric(framlenr: integer :=8);port(rxdr: in std_logic;bclkr: in std_logic;resetr: in std_logic;r_ready:out std_logic;rbuf:out std_logic_vector(7 downto 0);end entity;architecture Behavioral of reciever istype states is (r_start,r_center,r_wait,r_sample,r_stop);-定义各子状态signal state:states:=r_start;signal rxd_sync:std_logic;beginpro1:process(rxdr)begin if rxdr=0 then rxd_sync=0; else rxd_sync=1; end if;end process;pro2:process(bclkr,resetr,rxd_sync) -主控时序、组合进程variable count:std_logic_vector(3 downto 0); -定义中间变量variable rcnt:integer:=0;variable rbufs:std_logic_vector(7 downto 0);begin if resetr=1 then state -状态1，等待起始位if rxd_sync=0 then state=r_center; r_ready=0; rcnt:=0;else state=r_start; r_ready -状态2，求出每位的中点 if rxd_sync=0 then if count=0100 then state=r_wait; count:=0000; else count:=count+1; state=r_center; end if;else state -状态3，等待状态 if count=1110 then count:=0000; if rcnt=framlenr then state=r_stop;else state=r_sample;end if; else count:=count+1; state -状态4，数据位采样检测rbufs(rcnt):=rxd_sync; rcnt:=rcnt+1; state -状态5，输出帧接收完毕信号r_ready=1; rbuf=rbufs; -并行输出statestate30 then light led1 stcp:out std_logic; shcp:out std_logic; ser_data: out std_logic);end entity;architecture behav of shumaguan is signal score11:std_logic_vector(7 downto 0);signal score12:std_logic_vector(7 downto 0);signal h:integer range 1 to 17:=1;signal m:integer range 0 to 1:=0;-four tubesignal n:integer range 0 to 2:=0;signal data:std_logic_vector(15 downto 0);signal cnt1:integer range 0 to 3:=0;signal choose:std_logic_vector(7 downto 0);signal temp:integer;signal shiwei:integer;signal gewei:integer;begin-数码管译码模块- process(clk)beginif(rising_edge(clk)then choose=chuankou_in;temp30)thenled1=1;end if;shiwei= temp / 10;geweiscore11score11score11score11score11score11score11score11score11score11score11score11score11score11score11score11score11score12score12score12score12score12score12score12score12score12score12score11score11score11score11score11score11score12 if (n = 0) then data(15 downto 8)=11111101;-data的高8位是数码管选通段,选通第三个数码管 data(7 downto 0)=score11(7 downto 0);-data的低8位是记录比分 n = n + 1;elsif (n=1) then stcp=0; -stcp是并行输出时钟shcp=0; -shcp是移位时钟 ser_data=data(0); n=n+1; else shcp=1; -移位时钟上升沿到了，则输入一个数据 data=data(0)&data(15 downto 1);-data右移一位 if h=16 then -h是移位次数 h = h + 1; elsif h = 17 then stcp=1; -并行输出时钟上升沿到了，把16位数据导入完毕 cnt1 = cnt1 + 1; if cnt1 = 3 then m=m+1; cnt1 = 0; n = 0; h = 1; end if; else n=n-1; h=h+1; stcp if n = 0 then data(15 downto 8)=11111110;-data的高8位是数码管选通段,选通第4个数码管 data(7 downto 0)=score12(7 downto 0);-data的低8位是记录比分 n = n + 1; elsif n=1 then stcp=0;-stcp是并行输出时钟 shcp=0;-shcp是移位时钟 ser_data=data(0);n=n+1; else shcp=1; data=data(0)&data(15 downto 1);-data右移一位 if h=16 then -h是移位次数h = h + 1; elsif h = 17 then stcp=1; cnt1 = cnt1 + 1; if cnt1 = 3 then m=0; -m=m+1;cnt1 = 0; n = 0; h = 1; end if; else n=n-1; h=h+1; stcp=0; end if; end if; end case; end if; end process;四、 仿真分析1. 波特率发生器仿真：系统时钟周期设为20ns，分频系数设为10，得到的仿真结果如图9。 图9 波特率发生器仿真波形图由仿真波形图可以得到，每过十个时钟周期就输出一个完整的波特率周期，仿真结果与设计预期相符合2. 接收模块仿真五、 实物展示 45附件1： 大学本科毕业论文（设计）工作程序要求阶段工作程序及要求完成时间第一阶段（准备阶段）（一）确定题目和指导教师1.学院（系）成立毕业论文（设计）领导小组；2.学院（系）向教师（具有讲师以上职称或具有研究生学历的助教）分派指导论文（设计）任务，院（系）公布备选题目一览表；3.学院（系）召开指导教师和学生参加的毕业论文（设计）布置大会；4.学生根据自己的专业兴趣、学术特长选定论文题目，确定指导教师，也可与指导教师协商后确定论文题目；5.学院（系）将选题结果汇总成表，报教务处实践教学科备案。每学年第一学期第8周前（二）做好论文开题、写作的准备工作1.指导教师向学生传达毕业论文（设计）要求及有关管理规定，师生沟通交流课题任务，使学生正确理解课题，为开题做准备；2.学生确定论文题目后，应在指导教师的指导下进行文献检索、实习调研以及实验等论文前期准备工作。每学年第一学期第8周以后第二阶段（开题及写作阶段）（三）做好开题报告教研室组织教师指导学生做好开题报告，院（系）检查开题情况，教务处抽查。每学年第二学期第2周前（四）认真进行毕业论文（设计）指导、检查工作。1指导教师做好指导工作，定期检查学生的工作进度和质量，及时解答和处理学生提出的有关问题；2学院（系）要随时了解、检查论文写作进展情况，及时研究协调处理毕业论文写作过程中的有关问题。每学年第二学期（五）毕业论文中期检查教研室组织中期毕业论文检查工作，做好记录，学生须向指导教师汇报工作进度和工作质量，并填写中期检查表。每学年第二学期第8周第三阶段（评审答辩阶段）（六）指导教师评定毕业论文答辩前一周，学生将毕业论文交指导教师，指导教师需认真审阅，写出评语和评分。每学年第二学期第13-14周（七）评阅老师评阅毕业论文学院（系）或教研室安排有关教师，详细评阅每个学生的毕业论文，给出评分。（八）组织答辩学院（系）成立答辩委员会，组织答辩小组对学生进行论文答辩，答辩日程安排通知教务处，并做好答辩记录，给出答辩成绩。每学年第二学期第15周前（九）综合评定成绩学院（系）组织专门人员检查评分标准执行情况，进行成绩汇总和统计；毕业论文成绩及时报送教务处。每学年第二学期第15周前（十）毕业论文归档管理学院（系）收集并整理归档毕业论文有关材料，包括鉴定表（2份）、开题报告（1份）、中期检查表（1份）、评分表（1份）、论文（设计）（1份）及相应电子文档，填写本科生毕业论文（设计）工作总结表，一份交教务处实践教学科。每学年第二学期第16周前（十一）校级优秀毕业论文评选每学年第二学期第17周前注：1.提前或推延进行毕业论文（设计）的，各阶段要求相同，日程自定；2.毕业论文（设计）工作三个阶段时间安排，可根据各专业特点适当调整。 附件2： 大学本科毕业论文（设计）撰写规范一、毕业论文（设计）文本结构毕业论文（设计）主要由8个部分组成：封面；目录；题目；中外文摘要；正文；参考文献；谢辞；附录。二、毕业论文（设计）各部分规范1. 封面封面按学校规定的格式填写，包括论文（设计）题目、作者姓名、指导教师姓名、学科专业等内容。2. 目录目录由毕业论文（设计）各部分内容的顺序号、名称和页码组成，目次中的内容一般列出二级标题即可。目录应该用“”连接名称与页码。3. 题目论文（设计）题目要恰当、简明、凝练，能够反映论文的主题及其内容，做到文、题贴切。题目中不使用非规范的缩略词、符号、代号和公式，通常不采用问话的方式。题目所使用的词语应当考虑到有助于选择关键词和编制题录、索引等。题目的中文字数一般不超过20个字，外文题目不超过10个实词，中外文标题应一致，居中编排格式。4. 中外文摘要及关键词摘要是对毕业论文（设计）内容不加注释和评论的简短陈述。摘要主要是说明研究工作的目的、方法、结果和结论。摘要应具有独立性和自含性，即不阅读全文，就能获得毕业论文（设计）必要的信息，使读者确定有无必要阅读全文。摘要中应用第三人称的方法记述论文的性质和主题，不使用“本文”、“作者”等作为主语，应采用“对进行了研究”、“报告了现状”、“进行了调查”等表达方式。排除在本学科领域已成为常识的内容，不得重复题目中已有的信息。语句要合乎逻辑关系，尽量同正文的文体保持一致。结构要严谨，表达要简明，语义要确切，一般不再分段落。对某些缩略语、简称、代号等，除了相邻专业的读者也能清楚理解的以外，在首次出现处必须加以说明。摘要中通常不用图表、化学结构式以及非公知公用的符号和术语。毕业论文（设计）的摘要包含中文摘要和外文摘要。中文摘要字数约为200300字，外文摘要约为200300个实词。关键词（Keywords）是为了文献标引，从汉语主题词表或论文中选取出来，用以表示全文主题内容信息的词语或术语。关键词不宜用非通用的代号和分子式。关键词一般为36个。关键词的排序，通常应按研究的对象、性质（问题）和采取的手段排序。中文关键词两词之间应留出一个汉字的空间，不加任何标点符号；外文关键词之间用分号隔开。5. 正文毕业论文（设计）的正文包括前言（引言）、正文、结论三个部分。外语类专业毕业生必须用所学专业外语撰写。毕业论文（设计）的篇幅一般6000字左右。(1)前言（引言）前言（引言）主要说明研究工作的目的、范围，对前人的研究状况进行评述分析，阐明研究设想、研究方法、实验设计、预期结果、成果的意义等。(2)正文正文是对研究工作与研究内容的详细表述，一般由标题、文字、表格或公式等部分组成。该部分要运用选定的研究方法分析问题、论证观点，尽量反映出研究能力和学术水平。正文是毕业论文（设计）的核心部分，占据主要篇幅。正文是论文的主体，要求观点清晰、论点正确、论据可靠、论证严密、层次清楚。正文中的图表和计量单位要规范。图须有序号、图题、图例、量和单位，图序号须用阿拉伯数字，与图题空 1 格，写在图下方；表格采用 3线表，表头线和表尾线为粗黑线，表两边不要串写文字，表序号须用阿拉伯数字，与标题空 1格，写在表上方；一律使用法定计量单位。(3)结论结论是对整个研究工作进行归纳和总结。结论应当准确、完整、明确、精练。如不可能导出应有的结论，也可以没有结论而进行必要的讨论，阐述本课题研究中存在的问题及进一步开展研究的建议。6. 谢辞（致谢）谢辞（致谢）是对给予各类资助、指导和协助完成科研工作，以及提供各种条件的单位和个人表示的感谢。谢辞应实事求是。7. 参考文献文后参考文献，是论文的重要组成部分，按顺序和规定的格式列在正文之后。所列出的文献，应当是作者亲自阅读或引用过的，出处要翔实，要进行核实查对。所引用的文献应是公开出版的刊物或著作，内部刊物一般不引用。正文中参考文献的标注方法，是在引用文字（即所引用的词组、句子、段落等）结束处的右上角标出参考文献序号。全文参考文献的序号要按照从小到大的次序排列，某一文献多次引用时，要用同一序号标出。文后参考文献的编写方式，是依正文中参考文献序号的次序排列所有的参考文献，且一个参考文献只能出现一次。8. 附录凡不宜收入正文中而又有价值的内容，可编入毕业论文的附录中。附录内容主要包括：正文中所使用公式的推导与证明过程；使用的主要符号、单位、缩写、程序全文及其说明等；在正文中无法列出的实验数据；重复性数据图表；调查问卷等。附件3： 大学本科毕业论文（格式）格式（理科）（说明：本表供理工科专业学生用，以下所有红色、蓝色文字仅供参考，学生在写作论文时请保留字体、字号，改写或删除掉文字，黑色文字请保留。每一页的上方(天头)和左侧(订口)分别留边25mm，下方(地脚)和右侧(切口)应分别留边20mm，装订线5 mm，页眉和页脚为0。论文题目使用黑体三号字，正文使用宋体小四号字，行距为单倍行距；一级标题段前段后为0.5行，正文段前段后为0，字符间距为标准。为保证打印效果，学生在打印前，请将全文字体的颜色统一设置成黑色。以上说明参阅后请自行删除，包括本文本框！）（顶头空2行）目 录（4号黑体，居中）摘要1关键词1Abstract1Key words1引言（或绪论）11材料与方法Y1.1材料 Y1.2方法 Y1.2.1Y1.2.2Y1.2.3Y1.2.4Y2Y2.1Y3 Y（略）X （正文第X章）Y致谢Y参考文献Y附录A （必要时）Y附录B （必要时）Y图1 （必要时）Y图2 （必要时）Y表1 （必要时）Y表2 （必要时）Y注：1. 目次中的内容一般列出“章”、“节”、“条”三级标题即可；2X、Y表示具体的阿拉伯数字；毕业论文（设计）题目（3号黑体）专业学生 学生姓名指导教师 指导教师姓名（小四仿宋体）摘要：（200300字，五号宋体）关键词： （3-5个，五号宋体）Title（3号Times New Romar）Student majoring in Name Tutor Name（小四Times New Romar）Abstract： （五号Times New Romar，200300个实词）Key words: ；（3-5实词个，五号Times New Romar）引言（小四宋体）。1 材料与方法 （仿宋体四号）11 （黑体小四号）（小四宋体）。111 （仿宋体小四号） （小四宋体）。112 （仿宋体小四号） （小四宋体）。12 （黑体小四号）2 结果与分析 （仿宋体四号）21 （黑体小四号）（小四宋体）。211 （仿宋体小四号） （小四宋体）。212 （仿宋体小四号） （小四宋体）。22 （黑体小四号）3 讨论 （仿宋体四号）31 （黑体小四号） （小四宋体）。32 （黑体小四号）致谢（小四宋体）参考文献：1 作者姓名，作者姓名.参考文献题目J. 期刊或杂志等名称，年份，卷(期数)：页码.2 刘凡丰. 美国研究型大学本科教育改革透视J . 高等教育研究，2003，5(1)：18-19.没有卷的就直接写2003（1）（本条为期刊杂志著录格式）3 谭丙煜.怎样撰写科学论文M.2版.沈阳：辽宁人民出版社，1982：5-6.（本条为中文图书著录格式）4 作者姓名. 参考文献题目D.南京：南京农业大学，2002：页码.（本条为硕士、博士论文著录格式）5 作者姓名. 参考文献题目