毕业设计（论文）-基于FPGA的蓝牙数据采集系统.doc

毕业设计（论文）基于FPGA的蓝牙数据采集系统摘 要基于FPGA的蓝牙数据采集系统由下位机和上位机两部分组成。其中下位机主要由前端传感器、信号调理电路、ADC模数转换电路、FPGA处理模块以及蓝牙模块组成，主要完成前端数据的采集、转换、处理等功能，并将处理后的数据传输给上位机；上位机主要由USB蓝牙适配器和PC机组成，完成数据的显示、监控、存储等功能，并向下位机发送命令。该系统主要实现现场数据高精度、高速度实时采集，利用蓝牙的无线传输特性实现数据的无线传输。本系统中FPGA控制处理是系统的核心部分，通过动作指令控制前端调理模块进行数据采集，同时将采集到的数据经FPGA处理，由蓝牙模块将数据传输给上位机，由上位机完成后续的相应处理工作。关键词：FPGA，蓝牙，数据采集，温度 BLUETOOTH DATA ACQUISITION SYSTEM BASED ON FPGAABSTRACTBluetooth data acquisition system based on FPGA is consists of two parts that are lower place machine and PC. Among them lower place machine is mainly made up of several parts ,for example ,front-end sensor, signal regulate circuit, ADC frequency field circuit, FPGA processing modules and the Bluetooth module. The mainly function are completing front-end data collection , conversion and processing and transfer the data after processed to PC.PC is mainly made up of USB Bluetooth adapter and PC completing data display ,monitoring ,storage and other functions. PC send commands to lower place machine. This system mainly realize high precision, high velocity field data real-time data acquisition, USES Bluetooth wireless transmission characteristics of the wireless transmission of data realization. FPGA is the center of this system and through sending commands to control front-end regulate module collecting data. At the same time the collected data by FPGA processing will be transferred to PC with Bluetooth module. The PC will complete the corresponding processing work.KEY WORDS: FPGA，Bluetooth，Data collection，Temperature4目录前言1第1章 绪论21.1 课题的研究21.1.1 课题的提出21.1.2 研究的可行性21.1.3 数据采集系统方面的发展前景3第2章 采集系统的硬件设计52.1 系统的整体设计方案52.2 系统的整体结构52.3 系统的整体功能设计图及仿真图6第3章 温度传感器模块83.1 温度传感器型号83.2 温度传感器的选型10第4章 A/D转换器114.1 A/D转换器的选择114.1.1 A/D转换器的分类及其特点114.1.2 模数转换器的主要参数134.2 ADC0809芯片134.2.1 ADC0809结构图134.2.2 ADC0809的管脚描述154.3 ADC0809模块设计及仿真164.4 FIFO模块设计及仿真17第5章 FPGA可编程逻辑器件195.1 FPGA器件信息195.1.1 FPGA简介195.1.2 FPGA的选择205.2 FPGA基本内部构造及功能分析205.2.1 可编程逻辑块阵列215.2.2 可编程输入/输出块215.2.3 互连资源22第6章 蓝牙模块246.1 蓝牙技术246.1.1 蓝牙优缺点246.1.2 蓝牙协议体系结构256.2 蓝牙芯片266.2.1 蓝牙芯片内部模块276.2.2 蓝牙芯片接口和主要管脚介绍286.2.3 蓝牙芯片操作296.3 UART功能设计306.4 MAX232设计326.4.1 时钟分频346.4.2 UART的测试模块设计356.4.3 UART的发送模块设计366.4.4 UART的接收模块设计396.5 PC机与蓝牙的连接通信416.5.1 HCI分组426.5.2 软件实现43结论45谢 辞46参考文献47外文资料翻译49前言随着科学技术的迅猛发展，新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化社会，以数据存储为主要内容的数据采集测试技术，已形成了一门专门的技术科学。数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要分支，它不仅应用在智能仪器中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用，无论是过程控制、状态监测，还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统。数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需要的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中的一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。存储测试系统是一种数据采集系统(DAS)，包括数据采集记录硬件和计算机数据分析处理软件；一般情况下，将信息量化采集后先存入系统中的数据存储器，等任务执行完后再进行事后的数据读取和分析；数据采集记录硬件部分在工作完成后进行回收，以便进行数据回读。一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：数据采集、数据传输、数据存储、数据处理、分析和显示等。数据采集技术的发展离不开传感器和计算机控制技术。网络化测量、采集和控制是其发展的必然趋势。数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。 第1章 绪论1.1 课题的研究1.1.1 课题的提出在现代工业生产、控制和科学研究中，对各种现场数据进行采集、传输并处理已是必不可少的组成部分。数据采集系统，它主要完成数据信息的采集、A/D转换、数据存储，然后通过蓝牙接口电路将处理后的数据送入计算机作进一步处理,实现无线数据传输、控制功能。目前，以这样的系统为核心的设备在国内外得到了广泛的应用，比如工业生产中的液位、温度、压力、频率等数据采集系统；生物医学方面的电生理信号的采集系统，机场、商场、交通等重要的场所安装的监控设备、视频会议、可视电话等多媒体设备等1。以前的数据采集系统中，处理器一般采用单片机，单片机价格比较低廉、结构简单、接口扩展能力强。但很明显的缺点是数学运算能力差，对于实时性要求高、传输率要求快、对信号的数学处理比较复杂的领域来说，单片机就显得力不从心了。在电路设计上，传统的采集系统多采用分离式的元器件，这样的的系统，体积大、结构复杂、开发调试周期长，而且稳定性和抗干扰性都比较差。同样在和上位机PC之间的数据传输问题上，有大量的传统的数据传输电路，而蓝牙数据传输则实现了无线传输。本论文着眼于开发一种能满足集数据采集、数据处理、无线传输功能的通用型数据采集处理系统2。1.1.2 研究的可行性在电子技术飞速发展的今天，FPGA（现场可编程门阵列）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）应用已十分广泛，它们随着EDA技术的发展而成为电子设计领域的重要角色。由于该器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷，极大的改变了传统的设计方法、设计过程，乃至设计观念。借助于大规模集成的可编程逻辑器件和搞笑的设计软件，用户不仅可通过直接对芯片结构的设计实现多种数字逻辑系统功能，而且由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度；同时，这种基于可编程逻辑器件芯片的设计大大减少了系统芯片的数量，缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性2-3。蓝牙，是一种支持设备短距离通信得无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效的简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功的简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。蓝牙具有很多优势： 1. 全球可用2. 设备范围3. 易于使用4. 全球通用的规格 1.1.3 数据采集系统方面的发展前景近几年，Internet网络飞速发展，各式各样的网概念个技术不断涌现，如电子商务（B2B、B2C等）、对等网络（P2P）、Net、移动电子商务、无所不在的电子计算等等，他们改变着人们的生活和工作，同时也深刻的影响着工业领域内的各种采集、控制、监控系统的结构和功能。数据采集系统（Date Acquisition System,简称DAS）目前在工业领域应用非常广泛，在工业领域存在大量远程数据采集系统，这些系统支持着工业领域，如电力、军事、通信等各种生产的正常运行。具体应用如水、电、煤气调度SCADA系统，电力变电站综合自动化系统等。在这些数据采集系统中访问装置数据源是必须的功能，数据采集系统是工业控制和监控系统的核心和基础4。数据采集技术是存储测试技术的一个重要组成部分，是以传感器、信号测量与处理、计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的使用性。目前，数据采集技术已广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、测自动试系统、智能仪器仪表、遥感遥测、通讯设备、机器人、高档家电等方面。可以预见，随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展，数据采集技术将在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、无损监测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程众多领域发挥更大的作用。特别是计算机的发展，网络化可以更好地协调工作，增强系统的可靠性，势必推动数据采集在更加广阔的领域应用5。第2章 采集系统的硬件设计2.1 系统的整体设计方案根据课题的要求，提出系统整体设计方案，其系统框图如图2-1所示。图2-1系统整体设计方案整个系统由信号采集模块、A/D转换模块、中心控制模块FPGA、蓝牙模块及外围电路组成。信息采集模块是存储测试中的重要环节，关系着获取信息的质量和采集测试的精度。模拟信号的采集电路通常由跟随器、模拟开关、A/D 转换器、缓冲器等部分组成。被采集的信号经A/D转换成数字信号后存入存储器。电路的整个时序由逻辑控制模块协调控制。主控制模块由FPGA及其外围电路组成。FPGA是控制模块的核心部分。主要完成A/D转换器的时钟选取、数据的存储计算以及相应的控制逻辑、实现与PC机的通信等控制任务。蓝牙模块主要完成FPGA与PC机的数据传输，由蓝牙模块及相应的电路组成5。2.2 系统的整体结构系统的整体结构如图2-2所示。图2-2系统的整体结构FPGA与PC机的通信图如图2-3所示。图2-3 FPGA与PC机通信2.3 系统的整体功能设计图及仿真图由各个VerilogHDL功能图组成的系统数据采集及传输如下图2-4所示。图2-4数据传输由2-4图导出的QuartusII仿真图如下2-5图所示。图2-5数据传输仿真7洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 温度传感器模块3.1 温度传感器型号1. 接触式温度传感器接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6300K范围内的温度。2. 非接触式温度传感器它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中为材料表面发射率，为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。 非接触测温优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温，逐渐由可见光向红外线扩展，700以下直至常温都已采用，且分辨率很高。3. 模拟温度传感器传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。这里主要介绍该类器件的几个典型，如下： (1)AD590温度传感器。(2)LM135/235/335温度传感器。4. 逻辑输出型温度传感器在许多应用中，我们并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。 (1)LM56温度开关。 (2)MAX6501/02/03/04温度监控开关。 5. 数字式温度传感器(1) MAX6575/76/77数字温度传感器。(2)可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器6。3.2 温度传感器的选型温室的温度变化范围通常在10-40之间，精度要求为1，因此可采用AD590集成温度传感器。这种传感器是单片集成两端感温电流源，它的线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便，在整个测温范围内的误差小于0.5，具体数据如下7：1电源电压：4V30V2. 测温范围：-55+1503温度系数：1uA/4输出电阻：710M10 第4章 A/D转换器4.1 A/D转换器的选择随着超大规模集成电路技术的飞速发展和计算技术在工业领域的广泛应用，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为了满足各种不同的检测和控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路应运而生。有传统的并行型、逐次逼近型、积分型，也有近年来新发展起来的一型和流水型等，各种类型的ADC各有其优缺点，可满足不同的要求8。4.1.1 A/D转换器的分类及其特点目前，模数转换集成电路主要由以下几种类型：1. 并行比较ADC并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器，通常称为“闪烁式ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。这种结构ADC的所有位同时转换，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。增加输出位数对转换时间的影响较小，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计，以实现转换所需的大量精密分压电阻和比较器电路。例如，N位ADC需要2n个精密电阻和2(n-1)个并联比较器。这类ADC的优点是:模数转换速度高。2. 逐次逼近型逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，它由比较器、DIA转换器、比较寄存器、时钟发生器以及控制逻辑电路组成。它将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。主要通过二分探索法求得一数字码，使其对应的电压最接近于输入电压。这一类型ADC的优点:转换速率比较高，采样速率可达1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低；转换精度也比较高。在高精度、快速A/D变换中应用最为广泛。3. 积分型ADC前面所讲到的并行比较ADC和逐次逼近型ADC均属于直接转换ADC,而积分型和后面所讲的压频变换型ADC则属于间接ADC。积分型ADC又称为双斜式ADC。它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，根据时间间隔的值计算出模拟电压的值，从而实现A/D转换。积分型ADC的转换精度只取决于参考电压，因此容易提高它的精度。这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域。其优点是:分辨率高、功耗低、成本低。4. 压频变换型ADC压频变换型ADC是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果正比于输入模拟电压信号的数字量。从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采样时间足够长，即满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是:精度高、价格低、功耗低。5. -型ADC与一般的ADC不同，-型ADC不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。-型ADC由两部分组成，第一部分为模拟-调制器，第二部分为数字抽取滤波器。由于-具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因此-转换器又称为过抽样转换器A/D。这一技术的优点:分辨率可高达24位，比积分型及压频变换型ADC的转换速率高，可实现低价格、高分辨率的数据采集。6. 流水线型ADC流水线型ADC (pipeline)又称为子区式ADC，它由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区(流水线)来完成。流水线ADC不但简化了电路设计，还具有如下优点:每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性和低失调性；每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信号的处理速度，多级转换提高了ADC的分辨率。由此可见这种类型的ADC不仅转换速度较高，而且分辨率也比较高8。4.1.2 模数转换器的主要参数无论我们选择那种A/D转换器，都必须考虑以下几个主要性能指标:1. 分辨率2. 量程3. 绝对误差4. 量化误差5. 偏移误差6. 转换速率4.2 ADC0809芯片A/D转换器是数据采集电路的核心部件，正确选择A/D转换器是提高数据采集电路性价比的关键。由于本系统传感器测温电路输出端得电压变化范围在0.5V2V之间，因此选用8路8位逐次逼近型A/D转换器ADC0809。它可对8路05V的输入模拟电压进行分时转换。其主要特性如下8：1. 分辨率为8位2. 最大不可调误差3. 可锁存三态输出，能与8位微处理器接口4. 输出与TTL兼容5. 转换时间约为100us6. 不必进行零点和满度调整7. 单电源供电，供电电压为+5V4.2.1 ADC0809结构图如下ADC0809引脚图4-1所示。图4-1ADC0809引脚ADC0809的内部逻辑结构图如下图4-2所示。图4-2ADC0809内部逻辑结构图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表4-1为通道选择表9。表4-1 通道选择表C B A被选择的通道0 0 0IN00 0 1IN10 1 0IN20 1 1IN31 0 0IN41 0 1IN51 1 0IN61 1 1IN74.2.2 ADC0809的管脚描述ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其主要信号引脚的功能说明如下：1. IN7IN0模拟量输入通道2. ALE地址锁存允许信号。对应ALE上升沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中3. START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平4. A、B、C地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA,ADDB,ADDC。其地址状态与通道对应关系见表4-15. CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号6. EOC转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用 7. D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高8. OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据9. Vcc +5V电源10. Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)4.3 ADC0809模块设计及仿真下图4-3是由VerilogHDL所生成的ADC0809模块管脚图。图4-3ADC0809模块设计在Quartus II软件上用VerilogHDL语言编写ADC0809，然后仿真，仿真结果如下图4-4所示。图4-4ADC0809波形仿真由仿真波形结果说明ADC0809模块得到正确验证。4.4 FIFO模块设计及仿真下图4-5是由VerilogHDL所生成的FIFO模块管脚图。图4-5FIFO模块管脚下图4-6为Quartus II 仿真的结果图，结果与所要求的一致。图4-6FIFO波形仿真17第5章 FPGA可编程逻辑器件5.1 FPGA器件信息 本设计由于需要用到大量的控制信号，而且又是以计算机为平台，所以系统中有大量的数字逻辑电路。如果采用传统的数字逻辑芯片来设计电路的话，既增加了电路板的面积，而且也增加了电路的不可靠性，另外调试也不方便。为了解决这些问题，可以借助于近年来迅速发展的大规模可编程专用集成电路-现场可编程门阵列(FPGA)。用一片FPGA就可以代替许多分立器件，从而大大简化了电路板的复杂程度。下面介绍一下它的结构、特点以及设计方法10。5.1.1 FPGA简介在可编程逻辑器件芯片内部，按一定的排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件。使用者可利用特定的计算机开发工具（软件包和硬件电路、编程电缆）对其进行加工，即按设计要求将这些芯片内部的元件连接起来（此过程称为编程或设置），使之实现完成某个数字逻辑电路或系统的功能，成为一个可在实际电子系统中使用的专用集成电路（ASIC）随着集成电路工艺的日臻完善，集成度急剧攀升，功能日益强大。可编程逻辑器件广阔的应用前景备受业内人士的瞩目。由于其内部结构的不同，目前应用较广泛的有CPLD和FPGA。目前，很多学校和公司都开发了可编程逻辑器件实验板，这些实验板上采用了如下几个公司的产品： 1. Xilinx 公司 主要产品为FPGA和CPLD，目前各学校和公司制做实验板的常用芯片为FPGA 4000系列，Spartan XCS05和XC95108系列CPLD。2. Lattice公司 该公司已经和AMD公司合并，该公司生产GAL和CPLD产品，目前各学校和各公司制作实验板的常用芯片为ISP1016和可编程开关GDS14。3. AMD公司 该公司生产MACH系列产品，常用芯片为MACH4-128和MACH211SP-15JC。4. Altera公司 该公司生产FPGA和EPLD，常用芯片为EPLD7000系列产品7128和FPGA10K系列产品10K105. Lattice公司介绍 Lattice是ISP（在线可编程）技术的发明者，ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，80年代和90年代初是其黄金时期，但很快被Xilinx，Altera超过。与ALTERA和XILINX相比，其开发工具比略逊一筹。中小规模PLD比较有特色，种类齐全。99年收购Vantis（原AMD子公司）,2001年收购Lucent微电子的FPGA部门，是世界第三大可编程逻辑器件供应商。目前Lattice公司在上海设有研发部门11-12。5.1.2 FPGA的选择在FPGA内部一般都内嵌可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模块，用FPGA模块可以很好的解决并行和顺序性的矛盾。本系统采用EP1C6Q240C8。这是一种有240个引脚13。5.2 FPGA基本内部构造及功能分析FPGA是可编程逻辑器件，属于特殊ASIC芯片的一类，是在PAL、 GAL等可编程逻辑器件基础上发展起来的。同以往的PAL、GAL等相比较:FPGA的规模比较大，适合于时序、组合逻辑等电路应用场合，可以替代几十块甚至上百块通用分立IC芯片，尽管FPGA以及其它类型的PLD器件的结构各有其特点和用处，但是概括起来它都是由两大部分组成的: 1. 一个二维的逻辑块阵列2输入/输出块连接逻辑块的互联资源，连线资源由各种长度的线段组成，也包括用于连接逻辑块之间，逻辑块与输入输出部分的可编程连接开关。图5-1FPGA内部结构同样，还有一个时钟电路用于驱动时钟信号到每一个逻辑模块中的每一个触发器。另外，还可能有额外的逻辑资源，像ALU、存储器和译码器14。5.2.1 可编程逻辑块阵列可配置逻辑模块（CLB）包含了FPGA的可编程逻辑。典型的CLB，它包含了用于任意组合逻辑函数的RAM；还包含了用于钟控存储单元的触发器和多路选择器，这样就便于在模块中为逻辑电路布线以及模块内部的逻辑电路与外部资源之间的布线连接。这些多路选择器还允许极性的选择、复位输入和清除输入选择。注意，逻辑输出不需要通过触发器。设计者可以利用一个CLB产生简单的组合逻辑。正因为如此，多个CLB能够，而且经常被连接在一起，以实现复杂的布尔逻辑。FPGA的这种优于CPLD的优点，意味着设计者能够用几个CLB串联在一起来实现非常复杂的逻辑。不幸的是，在一个FPGA中传递时是全部延时的总量。因此这个优点也导致了所做的设计在速度方面的全面下降15。5.2.2 可编程输入/输出块可配置I/O模块适用于将信号传送到芯片上，然后再将信号传出芯片。输出缓冲器B1有可编程的控制器，它们可以是缓冲器成为三态或集电极开路状态，并且可控制缓冲器的输出摆率。这些控制端允许FPGA输出到大多数标准的TTL或CMOS器件。输入缓冲器B2能够被编程为不同的输出阈值电压。典型的阈值电压为TTL或CMOS电平，以便于和TTL或CMOS器件相接口。在每一个引脚上的输入和输出缓冲器的组合以 及它们的可编程性，意味着每一个I/O模块都可以被用于一个输入信号、一个输出信号或者一个双向信号16。5.2.3 互连资源FPGA的互连电路与CPLD的完全不同，但它却非常类似于一个门阵列ASIC的互连电路。图5-2示出了互连资源的可配置逻辑模块（CLB）结构。每一个CLB都被连接到与它紧挨着的其他CLB上，如图中左上角所示CLB。这些连线有时被称作短线（注意，为简单起见，图中只画出了左上角CLB的连线，实际上，所有四个CLB都有连线分别与最靠近它们的其他CLB相连。这些连线使得那些因过于复杂而无法装入某个单一CLB的逻辑能够被分开装入多个CLB）16。图5-2互连资源其他的路径资源由经纬连线所组成。这些连线在到达开关矩阵之前经过许多CLB。这些开关矩阵允许信号从一个开关矩阵传递到另一个开关矩阵，再传递到下一个开关矩阵，最后连接到CLB。这些CLB可能彼此相互关联，但又互相原理。这种传递新好方法的缺点是每一条通过某个开关矩阵的路径都会导致一个显著的延时。经常的情况是，为了通过芯片传递信号，路径的延时变得比逻辑门的延时还要大。第三种类型的路径资源是长线，设计者可以用它去连接某些条件苛刻的CLB，即这些CLB在芯片上的物理位置彼此相连“甚远”，而它们之间的连接又不会产生太大的延时。这些长线通常是从一个CLB模块的末端一直通向另一个CLB模块，而中间并不与某个开关矩阵相连。对于条件苛刻的路径逻辑，长线确保不会产生显著的延时。长线还可以在芯片当中被用作总线16。第6章 蓝牙模块6.1 蓝牙技术蓝牙（Bluetooth）是无线数据和语音传输的开发式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。它的传输距离为10cm-10m，如果增加功率或是加上某些外设便可达到100m的传输距离。它工作于无需许可证的工业、科学与医学频段（ISM），频率范围为2.4G-2.485GHz，采用跳频扩频技术（FHSS），使用权向纠错编码、ARQ，TDD和基带协议。TDMA每时隙为0.625us，基带符合速率为1Mb/s。蓝牙支持64kb/s实时语音传输和数据传输，语音编码为CVSD，发射功率分别为1mw,2.5mw和100mw，并使用全球统一的48比特的设备识别码。由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移植性，并且适用于多种场合，加上该技术功耗低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，所以易于推广17。 6.1.1 蓝牙优缺点与其他工作在相同频段的系统相比，减少了射频干扰，这使蓝牙技术比其他系统更稳定。蓝牙协议提供较高的传输速率和多种上层应用标准协议，与其他无线通信技术相比，具有低功耗、廉价等特点。因此，蓝牙被认为是最适合构建小型数据采集网络的无线通信技术之一。蓝牙跳频技术可以使多个微网在近距离内同时存在。在构造个人区域网络或无线传感器网络时，802.11也是一个候选技术。Johansson等对蓝牙和802.11作了对比，说明它们之间互有优劣：1. 802.11的链路速度可达到10Mbps，而蓝牙只有1Mbps。但是当节点数增加时，蓝牙能增加网络整体容量2. 当网络规模增加，蓝牙的能耗效率能保持不变。相反的是，因节点增加导致的冲突增大，是802.11的能耗效率很快降低，会浪费能量3. 如果系统之间整体平均吞吐率可以比较的话，802.11中的TCP连接之间的容量是不公平共享的。这是因为在较大流量情况下的MAC层和TCP流控机制的交互作用所致。而在相同情况下，蓝牙中的TCP连接的容量却能相当公平的公布4. 蓝牙比802.11能更好的支持具有Qos要求的连接，如语音连接总之，蓝牙自组网的网络规模可以很大，能很好的抗击节点间的干扰，有更好的能耗效率，节点上的应用在延迟和吞吐率上能达到稳定持久的性能，实现如语音和低速数据等交互服务。在构建数据采集系统时蓝牙具有更好的抗干扰性，具有较好的应用前景17。6.1.2 蓝牙协议体系结构蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作。互操作的远端设备需要使用相同的协议栈，不同的应用需要不同的协议栈。但是，所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。完整的蓝牙协议栈如图6-1所示，不是任何应用都必须使用关不协议，而是可以只使用其中的一列或多列。图6-1显示了所有协议之间的相互关系，但这种关系在某些应用中是有变化的完整的协议栈包括蓝牙专用协议已经非专用协议。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互操作，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术规范的开发性保证了设备制造商可以自由的选用其专用协议或习惯使用的公共协议，在蓝牙技术规范基础上开发新的应用16。1. 核心协议：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP2. 电缆替代协议：RFCOMM3. 电话传送控制协议：TCS-Binary、AT命令集4. 选用协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCard、vCal、WAE除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口（HCI），它为基带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。在图6-1中，HCI位于L2CAP的下层，但HCI也可位于L2CAP上层。蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙专用协议组成。绝大部分蓝牙设备都需要核心协议，而其他协议则根据应用的需要而定。总之，电缆替代协议、电话控制协议和被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协议18。图6-1 蓝牙协议栈体系结构6.2 蓝牙芯片 我们选择ROK 101 007芯片与电脑相连接，它是一款适合于短距离通信的无线/基带模块，该蓝牙模块集成度高，功耗小，完全兼容蓝牙协议V1.1，可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中。该模块包括基带控制器，无线收发器，闪存等部件，可提供髙至HCI（主机控制接口）层得功能。此外，该模块还提供USB/UART和PCM接口，因而能方便的与主机（host）进行通信，另外，该模块还同时支持蓝牙语音和数据传输，且其输出功率能满足蓝牙2级操作的要求18。6.2.1 蓝牙芯片内部模块1. 无线收发器无线收发和信号调制功能是通过PBA31301/2完成的。该芯片是一个工作在2.42.5GHz的ISM频段得近距离微波射频收发器。其最大TX&RX数据传输率为1Mbit/s，可以最大限度的利用无需认证的ISM频段，可在79个信道（2.4022.480GH）之间快速的跳频（1600个信道/秒），使用GFSK调制方式，通道带宽为1MHz,频率偏差在140kHz175kHz之间，能满足蓝牙二级操作，其最大输出功率为4dBm，且不需要功率控制。安装天线之后，其传输距离可达10米，符合ISM频段的FCC和ETSI标准。该模式中的PBA31301/2以Radio ASIC为基础，且内含环路滤波器（Loop Filter）、压控振荡器（VCO）、天线过滤器（Antenna Filter）、RX和TX变换器等六个操作模块。利用Radio ASIC可完成信号的调制和解调；而在环路滤波器（Loop Filter）、压控振荡器（VCO）和Radio ASIC构成的锁相环中，可以滤除Radio ASIC输出中误差电压的高频成分和噪声，从而保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性；交换控制器（Switch）的作用是协调接收器（RX）和发送器（TX）的工作，以保证蓝牙的全双工传输。天线滤波器（Antenna Filter）的作用是对射频信号进行带通滤波。2. 基带控制器通常使用一个基于ARM7-Thumb的芯片并通过串行口（UART）或（USB）接口来控制无线收发器。基带则负责处理底层的链路层功能。其功能包括：(1)CVSD语音编码。(2)头错误校验（HEC）生成及校验。(3)前向纠错（FEC）生成及校验。(4)循环冗余校验码（CRC）生成及校验。(5)数据扰码。(6)有效数据加密和解密。(7)跳频序列的选择。3. 闪存ROK 101 007中的闪存以二进制码得格式存放在蓝牙固件（Firmware）之中，它可以与基带控制器交换数据、地址和控制信号。蓝牙固件包括链路管理器（Link Manager）和主机控制接口（HCI）。4. 时钟和电源模块ROK 101 007 模块的内置时钟频率为13MHz。该时钟应由一个晶体振荡器产生，以保证定时的精确度在20ppm之内。另外，ROK 101 007的VCC电源典型值为3.3V19。6.2.2 蓝牙芯片接口和主要管脚介绍ROK 101 007与主机或其他设备互联时，有USB、UART、和PCM语音接口等三种方式。1. USB接口ROK 101 007的USB接口符合USB1.1规范，通过双向端口D+和D-的数据传输率可达到12Mbps。当使用USB接口与主机通信时，ROK 101 007是一个USB从设备（slave）。与该接口有关的管脚有：(1)D+（B1），D-（B2）:用于数据传输。(2)Wake_up（B4），Detach（C1）：专用于与笔记本电脑的互联。2. UART接口ROK 101 007的UART接口标准符合工业规范16C450，它支持的波速率有(单位：bits/s)：300,600,900,1200,1800,2400,4800，9600,19200,38400,57600,115200,230400和460800。该接口中还有128字节的先入先出（FIFO）缓冲器。与该接口有关的有四个管脚，具体如下：(1)TxD(B5),RxD(A5):用于收发数据。(2)RTS(A6),CTS(B6):用于数据流控制。3. PCM语音接口标准的PCM语音接口的采样速率为8kHz。PCM时钟频率在200kHz和2.0MHz之间可调。语音编码可采用CVSD（连续可变斜率增量调制）、u律（8bit）或A律（8bit）三种调制方式。考虑到编码的健壮性，应首先选择CVSD。与PCM语音接口有关的管脚信号有：(1)PCM_SYNC(A3)：用于设置PCM数据的采样速率。(2)PCM_OUT(A2),PCM_IN(A1):接收或发送语音编码信号 12-14。6.2.3 蓝牙芯片操作1. 芯片复位Reset该命令用于复位蓝牙主控制器、链路管理器和无线设备。在复位完成后，蓝牙设备进入待机模式。该命令完成后，主机将收到指令完成事件，如果参数Status=0x00,说明复位命令成功。另外，主机还需要设置蓝牙主控制器的一些参数，所用到的HCI命令如下：(1)Read_Buffer_Size：该命令用来读出从主机到主控制器发送HCI、 ACI 和SCO数据分组的数据部分的最大值。(2)Set_Event_Filter：该命令用来通过主机指定不同的事件过滤器，以便使主控制器只发送与主机有关的事件。(3)Write_Scan_Enable：（只用于从设备）该命令通过设置参数Scan En