摘要：为了实时检测常温下的湿度，以便负责人依据需要调整环境状况。选用测频计数法结合频差法规划了以FPGA芯片(EP2C8Q208C8N)为根底的可用于湿度丈量的石英晶体谐振频率漂移检测电路。要点介绍在FPGA渠道上经过丈量石英晶体的谐振频率来间接丈量湿度的办法，评论了FPGA渠道上的每个模块的规划进程，给出了部分模块和全体电路的仿真图，解说了仿真成果。FPGA参加外围硬件电路的辅佐规划，会使规划愈加简略，周期更短。
湿度若能够实时进行丈量，关于出产、日子方面是很至关重要的，尤其是在那些仓储、栽培、饲养、家庭、医疗、科研等重视湿度改变的当地。假如反常湿度不能及时被丈量到，就会使出产下降、身体感到不适。现代湿度丈量从机械式发展为精确度更高的电子式湿度传感器。石英压电谐振式湿度传感器便是利用了谐振元件的固有频率与被丈量之间存在联系而进行丈量的一种电子设备。经过在线可编程芯片FPGA来对传感器数据进行收集、丈量和处理，能极大地整合和简化体系规划。文中将首要描绘石英晶体(QCM)湿度丈量体系中FPGA部分的程序规划，别离给出单个模块的规划思路和(或)作业流程图，对部分模块给出仿真成果，最终对全体程序进行了仿真，给出全体成果。
1 基本原理
在压电石英晶体的晶片外表涂覆湿度灵敏资料，制成一个附着有吸湿膜的石英晶体谐振器。若该石英晶体放置于湿度环境中，由于吸湿膜经过氢键或许分子间作用力吸附了环境中的水汽分子，使得石英晶体的质量发生改变。依据Sauerbrey公式，如式(1)所示，为晶片上吸附水汽分子后石英晶体质量改变量，Fo为基频，△f为相同基频下的无湿敏膜规范石英晶体谐振(以下简称规范晶振)频率Fo与有湿敏膜传感石英晶体谐振(以下简称传感晶振)频率的频率差，S为晶片上湿敏膜的面积。石英晶体的质量若发生改变，其谐振频率也会随之发生改变。只需经过丈量出石英谐振频率的改变量，再利用频率差-质量差-相对湿度三者之间存在的联系，由频率转化得到相对湿度。
体系由湿度传感器、QCM振荡电路、FPGA渠道、显现电路等模块组成，如图1所示。FPGA渠道将集成丈量、操控、驱动等功用模块，先经过参比对照测出两个通道的频率值，再核算两通道频率值的差，依据转化表转化出相对湿度值，送出显现。选用基频10 MHz，AT切型的石英晶体作为湿度传感器。
2 全体计划结构
2.1 FPGA芯片
FPGA，经过软件辅佐编程的方法完结电路功用的一种半定制AS%&&&&&%芯片。FPGA是在线可编程器材中的一种，依据查找表LUT的电路原理。N输入的查找表，将输入的真值表存储在SRAM中，体系经过“查表”的方法，输出预存成果。FPGA在电路规划和运用的进程中高度表现了以专用性、高效性，以人为本的规划思维。FPGA芯片选用的是美国Altera公司规划出产的Cyclone II系列中的EP2C8Q208C8N。它含有516个可编程逻辑块CLBs，8256个逻辑单元LEs，165888个存储位，138个可运用的I/O端口，端口最大电压为3.3 V，中心电压为1.2 V，作业适合温度为0～85℃。
2.2 FPGA全体电路构建
FPGA程序规划是整个相对湿度丈量体系规划中要害的一部分，集成了操控、丈量与锁存、差值核算、物理量转化，显现驱动等模块。经过软件编程辅佐规划的电路，既可下降硬件电路规划的本钱，一起也发挥软件规划带来的长处。另外用FPGA做规划还可随时就应用进程中呈现的问题调整程序，使体系作更大优化。整个FPGA运转的流程图如图2所示。整个FPGA电路模块的规划和仿真都将在Quartus II 9.0软件环境下完结。在FPGA中相对湿度的丈量将选用实时丈量的计划。
3 模块规划与仿真
3.1 操控模块
操控模块首要完结对FPGA作业进程的操控。它包含体系启动/暂停、使能操控、体系复位等功用，其作业流程如图3所示。其间N值巨细能够因需求不同作数值调整。
3.2 丈量与锁存模块
丈量模块是FPGA规划中最要害的模块之一。为得到频率差，选用双通道别离进行规范晶振和传感晶振的频率丈量。数据信号在一个闸口内的计数值很大，所以不考虑因闸口信号与数据信号不同步形成的±1字的差错。丈量模块中的频率丈量选用直接计数法完结。在使能高电平期间，频率信号触发沿每到来一次时，计数器加1计数;在使能低电平期间计数器数据锁存，保存至下一次的丈量完结。最小丈量精度为1 Hz，选用8421BCD码计数(便于调查和后续电路规划)。
对丈量和锁存模块进行仿真剖析，如图4所示。从图中能够看出体系在异步复位信号sys_clr高电平下复位，否则在使能信号sys_ena高电平有用时，体系计数，直到使能无效，result_Q最终一个计数值送入锁存器result_latch保存至下一次丈量完毕。在整个体系中复位信号周期性呈现在坚持时刻末刻，以使计数寄存器下一次从0开端计数。
3.3 频率差值核算模块
取得两个通道的频率值后，依据频差核算公式(2)，将两者送入减法器中。
△F=Fo-Fs (2)
减法器选用BCD码减法，按以下规矩次序履行：
1)比较巨细，假如被减数大于或等于减数，差为正，符号记为0;假如减数小于被减数，将被减数与减数的方位对调，差为负，符号记为1;
2)按照二进制法逐位减法运算;
3)从最低位开端包含被减数、减数、差的每4位组成一组，高位不行4位用零补齐;
4)假如每一组的被减数大于减数，则若差大于9，则差减去6，其他不变;
5)假如每一组的被减数小于等于减数，则若差大于5(最小1组大于6)，则差减去6，其他不变;
6)修正后的成果即为频率差。
随机规划了几组数据进行仿真测验，如图5所示，经比对，成果正确。其间a8至a1为被减数a的高位至低位，即为规范晶振的频率值;b8至b1为减数b的高位至低位，即为传感晶振的频率值;差为asb8至asb1，符号为sign。
3.4 物理量转化模块
在20%至85%这段相对湿度区间，频率差与相对湿度值之间的曲线挨近线性。规划中频率差与相对湿度值之间的转化以查找表的方式来完结，一个湿度规模对应一组频率差。通常情况下，由于资料、制造工艺的不同，频率差的改变也会有所不同。为了仿真，假定相对湿度改变1%时，频率差改变2个值。
3.5 显现驱动模块
后端显现用LCD1602液晶屏构成。由于1602中指令和数据同享总线，首要需要对其初始化，意图就在于对总线状况、显现款式的设置。初始化进程为清屏→显现状况设置→作业方法设置→CG RAM设置→DD RAM设置。一旦初始化完毕后，就能够将成果等内容在液晶屏上动态显现。
4 全体电路测验与仿真
为便于仿真调查，程序上对时钟和信号周期进行了修正，但规划思路不变，不影响整个的作业流程。翻开Quartus II的仿真器，刺进输入输出信号，按照实践情况给出输入信号波形，仿真成果如图6所示。其间clk20M为20 MHz的时钟信号，经20分频，得到一个周期为的闸口信号(实践中为2s)。由于传感石英晶体质量因受湿度的影响而添加，其谐振频率随之下降，故传感晶振频率总小于规范晶振。cnt_clk0、cnt_ clk1别离为两个通道的频率信号，其周期设置在0 s～3.4μs为8 ns和10 ns，在3.4～6.4 μs至为19 ns和30 ns，在6.4～7.3μs至为35 ns和50 ns;体系一开端清零;result_Q为通道0的频率丈量值，result_Q1为通道1的频率丈量值。在仿真中取频率的最大改变为50，每1%的相对湿度，有2的改变。由图可看出，当体系在接到清零信号后，立即对计数寄存器进行了数据复位。当丈量周期完毕后，别离得到以下数值：在0 s～3.4μs这一段，通道0计数值为125，通道1为100，差值为25，湿度为50%;在3.4～6.4μs至，通道0为53，通道1为33，差值为20，湿度为40%。
5 定论
规划运用了功用强大的FPGA作为湿度丈量体系的首要部件，充分发挥其高度集成的内部资源和弥补了硬件上规划的缝隙和差错。文中对相对湿度丈量体系中的FPGA部分的程序进行了规划说明和仿真，给出全体电路的仿真成果。证明了规划计划的可行性，表现了软件结合规划所带来的简便性和实用性。
假如将该FPGA丈量渠道与其他外围硬件电路组合，即可完结湿度丈量体系的规划，一起也可用于特别气体的检测。
