基于FPGA的婴儿培养箱温度监测与控制系统外文翻译资料

 2022-05-31 22:03:34

英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于FPGA的婴儿培养箱温度监测与控制系统

1 Bharathi Navaneethakrishnan, 2 Neelamegam P.

1．SASTRA大学计算机学院，印度坦贾武尔613401

电话： 91 9566039944

2．SASTRA大学电气和电子工程学院，印度坦贾武尔613401

电话： 91 4362 238030

电子邮箱：bharathi_n@cse.sastra.edu，neelkeer@eie.sastra.edu

摘要：孵化器在医院照顾早产儿方面起着非常关键的作用，早产儿出生后接受婴儿箱孵化器护理的婴儿患抑郁症的可能性相比于成年人要低2至3倍。在本文的这项设计中，设计了一个高效可靠的基于FPGA的温度监测和控制系统，采取使用LM35D传感器和相关的外围设备进行测量并进行控制培养箱的温度。本文提出了一个实验框架和verilog实现，由与传感器连接的12位ADC通过FPGA读取温度的协议控制算法，将控制信号传递给电子继电器，用来控制温度孵化器的温度，并在LCD显示屏上实时显示温度。对所开发的性能系统进行分析后，发现：与传统的系统相比，其功耗非常的低；同时，它显示的计算速度要相比于传统的嵌入式温度监测系统提高了5倍。

关键词：温度传感器，现场可编程门阵列，温度测量，婴儿培养箱，控制系统。

  1. 绪论

新生儿能够生存的主要因素之一是婴儿具有热量调节的能力。哺乳动物具有天生的恒温能力，意味着能够产生热量并保持恒定的热量。但是如果在感冒或者外界温度很高的极端情况下，体温可能会忍受不了这么严重恶劣的条件。婴儿一般具有成熟的恒温能力，但是在早产儿的身体状况影响下，他们可以成功地调节自身体温的环境温度受到严格的限制[1]。对于早产儿和高危新生儿来说，他们的体温和发热量的调节会非常的困难。

由于妊娠率低，早产儿的热能自我调节控制的能力较差，一般为了维持其体温[2]，需要将他们放在培养箱内，但是培养箱内的温度也可能会有不稳定的情况发生，一般培养箱内出现大约0.5到1.0摄氏度的温度变化是可以接受的，不会对婴幼儿的身体造成特别大的危害，但是如果温差高于2.0摄氏度，则通常会出现低血容量的症状，如心率上升和血压下降[3]。 D. I. Shin开发了一种远程监测培养箱系统，用于测量婴幼儿培养箱内的温度和湿度，将其安装在四个培养箱中，并使用RS485接口将其连接到网络服务器板[4,5]，对培养箱内的温湿度进行测量控制。

凭借丰富的资源，现场可编程门阵列（FPGA）特别适用于像密码，图像处理等多媒体和计算密集型应用等高速要求苛刻的应用需求。同时FPGA避免了高昂的开发初始成本，不必花费漫长的开发周期以及与传统ASIC固有的不灵活性更有优越性。另外，FPGA的升级也是非常成功的，可以通过花费更少的时间重新编程用来代替硬件。

监视设备通常可以是传感器或任何可以输入反映变量发生变化的输入形式，以通知环境的变化或者事件的发生[6,7]。基于这种变化情况的发生，可以选择在控制单元中进行判断决策，保证在对信息的操纵中始终处于更安全的一面，发生该环境变化或者事件时，从而尽可能的不会影响应用程序的正常工作。对于一个好的孵化器，温度、湿度等应保持在一个相对理想的最佳水平。在论文[8]中，通过观察可以得到，测试培养箱温度的计算机测定并与[9,10]中的护士确定的策略进行比较，在培养箱中培养的婴儿在15岁前经历抑郁症的风险较低。这项工作阐明了基于FPGA的孵化器温度监测和控制系统的发展。

2.硬件设计

基于FPGA的系统由两个模块组成：测量模块和控制模块。图1描绘了测量模块的体系结构图，其中包括一个LM35D传感器，ADC模数转换器和控制模块，包含一个Spartan 3E FPGA，电子继电器，LCD显示器和一个可选择的个人计算机，具体如下图1所示。

图1.基于FPGA的温度监测和控制系统的框图

2.1 温度测量模块

温度测量模块的主要目的是测量并监控恒温箱内的实时温度。温度周期性的传递到控制模块中，保持恒温箱处于相对稳定的温度的状态。图2说明了测量模块的电路图，如下图2所示。

图2.温度测量模块的电路图

2.1.1 LM35D模块

方案使用传感器LM35D来测量婴幼儿孵化箱内的温度。LM35D是模拟信号输出传感器，选用它的原因是，与开尔文温度传感器校准的线性温度传感器相比，它更具有优势，同时使用的时候用户不需要从它的输出中减去大的恒定电压用来获得方便的摄氏比例。它不需要任何外部校准或者修整，可以保持在室温下plusmn;1摄氏度的典型精度以及在-55至 150摄氏度的完整温度范围内的plusmn;3摄氏度的典型精度。传感器LM35D通过在晶圆级中进行修整和校准来确保其测量的温度准确且精度足够，而且它的成本十分低廉。LM35D的低输出阻抗，线性输出和精确的固有校准使得从中读出或者控制电路的连接非常简单实用[11,12]。同时对于温度每增加一度，输出电压将会有10mV的变化（10 mV/°C）。温度传感器的输出被反馈输送到模数转换器ADCMCP3201中。

2.1.2 MCP3201模块

来自LM35D温度传感器的信号提供传输给ADC模数转换器MCP3201，它将模拟信号输入转换为相应的12位的数字信号输出。它是一个逐次逼近的12位模/数（A/D）转换器，其上带有板上采样和保持电路[13]。它将测量的模拟信号转换为数字信号。在与设备的通信过程中，选择采取使用与SPI协议兼容的简单[11,14]串行接口方式进行完成通信。该器件能够在1.6 MHz的时钟速率下，可以实现高达100ksps的采样速率。它工作要求的电压处于在宽电压范围之间（2.7V-5.5V）。MCP3201有三条信号线CS，Data，Clk，用于连接FPGA并进行信号传输。

2.2 温度控制模块

温度是婴儿培养箱中要特别注意控制的重要因素之一。在高温偏差的情况下，可能会增加早产儿窒息情况的发生。图3显示了控制模块的电路图，如下图所示。控制模块会字一定时间内从测量模块接收测量温度值，并且在Spartan3E中执行控制算法控制它的工作。如果温度发生偏差，会将发送适当的控制信号，信号作用于电子继电器电路，并将操作电子继电器电路控制负载，用来维持培养箱的温度，保证婴儿培养箱内的温度处于合适的范围内。

图3.温度控制模块电路图

2.2.1 Spartan 3E FPGA模块

Xilinx的Spartan 3系列[15]是面向大批量消费者应用的低成本，高性能逻辑解决方案平台。赛灵思Spartan-3E平台的特点是：它们是逻辑经过优化的，非常适合逻辑集成和各种嵌入式控制系统。

一个缓冲器74HC244，它被用作FPGA与LCD显示器和控制系统之间的控制接口。 系统使用两行16个字符的通用字母数字LCD显示屏（使用HD44780控制器）来显示实时测量温度。 FPGA通过LCD显示屏来显示测量数据，并将控制信号发送至电子继电器用来控制保持培养箱内的温度。 接口和转换机制被实现为在LCD显示器中显示所需的字符[16]。 温度由使用Spartan3E发送的脉宽调制（PWM）的控制信号进行控制。PWM信号通过光电耦合器发送到双向可控硅开关的栅极，该开关将高压部分与FPGA隔离。

3.软件设计

握手协议被实现用于系统的测量模块。它由来自National半导体的传感器LM35D组成，温度传感器的输出被馈送到ADC模数转换器中将输入的模拟电压转换为数字信号进行输出。 设置时钟从FPGA传递，温度值将通过ADC的Dout线串行进行读取输入，如下图4所示。在采集数据之前，应通过FPGA触发的片选线使能ADC模数转换器进行工作。 得到ADC采集的数据之后，将使用FPGA中的控制算法对得到的数据进行计算，将输出的电压值转换为温度摄氏度，并进行输出显示，控制电子继电器电路对培养箱内的温度进行准确的控制。

图4.温度测量模块和Spartan 3E FPGA之间的握手协议

在控制模块中，传统系统中使用嵌入式处理器时，嵌入式处理器中会消耗更多的CPU周期的计算，然而，在FPGA中处理器被配置为硬件模块，它包含整数和浮点运算以及更为复杂的计算。通常一般情况下，浮点表示和浮点运算主要取决于CPU体系结构和编译器。 在这种情况下，硬件的实现方式会对浮点运算造成影响。换句话说，硬件可以满足所需要的一些基本规则和事实，但是这些规则和事实不能被改变，并且还受限于逻辑块的可用性，存储器位长度是否支持等应用条件。计算结果将转换为适合LCD显示的格式，用来观察它的显示结果。电子继电器（使用三端双向可控硅开关元件和其他组件）用于控制孵化器中的加热器的工作状态。所以它可以反过来控制孵化器的温度。控制协议在图5中示出，如下图所示。

图5. Spartan 3E FPGA和温度控制模块之间的控制协议

源代码是在verilog HDL中开发编译的，用来使ADC模数转换器能够发送时钟，从ADC模数转换器接收12位数据信号，将数据转换为二进制浮点数据，执行计算以生成度值结果以LCD显示格式显示温度值，同时并将控制信号发送至电子继电器，电子继电器控制加热器进而控制培养箱温度的具体波动范围。Verilog用于在FPGA中配置电路的硬件描述，它的功能是：可以通过它将适当的器件与FPGA中配置的电路的输入和输出线相连接，采用Spartan 3E FPGA的Basys电路板可与所有版本的Xilinx ISE工具进行无缝协作，包括免费的WebPack。而且它随附一根提供电源和编程接口的USB电缆，因此不需要其他的电源或编程电缆等。免费的ISE/WebPackXilinx的CAD软件可以用于仿真，也可以用于从Verilog源代码创建位文件。Digilent的基于PC的程序Adept用于配置存储在计算机上的任何合适适用的位文件。Adept使用USB电缆将选定的位文件从PC传送到FPGA电路板。图6描述了使用Spartan 3E FPGA进行温度监测和控制的仿真。图6如下图所示，模拟结果的正确性随测试模块的随机检查并生成温度值。

图6.使用FPGA进行温度监控和控制的仿真

3.1 控制算法

Monitor_control_module（）

开始

步骤1：读取参考/设定温度（ST）

第2步：定期重复步骤8

步骤3：发送启动信号到ADC。

步骤4：连续检查转换结束（EOC），如果是，则执行步骤5.如果不重复步骤4

第5步：从ADC读取值。

第6步：调用ComputeMT（ADCval）。

第7步：计算错误（MT-ST）。

第8步：根据错误，计算PWM并将信号发送到加热器。

结束

ComputeMT（ADCval）//根据ADCval计算温度

开始

步骤1：将数据转换为IEEE 704格式的实数作为1位符号，8位指数，23位有效数。

第2步：计算分子= Vref（mV）* ADCval。

步骤3：计算分母= 4096 * 10（mV）。

第4步：计算结果=分子/分母。

第5步：将二进制结果转换回实数。

第6步：提取个人数字。

第7步：将每个数字转换为适当的格式以在LCD中显示结果值。

第8步：返回结

全文共9148字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[11446]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

发小红书推广免费获取该资料资格。点击链接进入获取推广文案即可： Ai一键组稿 | 降AI率 | 降重复率 | 论文一键排版

您可能感兴趣的文章