fpga的电磁强度检测器设计
随着社会进步，人民群众对生活质量的要求也越来越高，另一方面由于一些媒体的恶意宣传，人们将电磁辐射妖魔化，甚至到了谈电磁辐射而色变。市面上的电磁辐射检测器多是面向专业用户而价格高昂并且操作较为复杂，不适合家用。本设计针对于此，设计一种基于FPGA的家用电磁检测器。本设计将首先简要介绍电磁辐射的产生与对人体的危害，然后对比单片机等的优劣而确定以FPGA为设计核心。将电磁场在天线上产生的射频电压经过检波、滤波等步骤的处理，再送入FPGA中计算，将结果显示在LCD显示屏上，如果超出国家规定的安全上限，则用蜂鸣器提示。
目 录
一、绪论 1
（一）设计背景 1
（二）电磁辐射与电离辐射的区别 1
（三）FPGA技术 1
二、方案的选择 2
（一）FPGA与单片机 2
（二）天线的选择 2
（三）开发板的选择 2
（四）显示器的选择 3
三、硬件设计 3
（一）硬件结构 3
（二）逻辑框图 4
（三）实现原理 4
（四）信号采集 5
四、软件设计 6
（一）FPGA模块框图 6
（二）功率密度计算模块 7
（三）时钟模块 9
（四）BCD码转换模块 9
（五）异步FIFO模块 11
（六）烧录 12
五、实物制作及调试 14
（一）实物制作 14
（二）调试 15
结束语 17
致谢 17
参考文献 18
附录一 FPGA开发板技术参数 19
附录二 源程序 20
附录三 元件清单 31
附录四 电路原理图 32
一、绪论
（一）设计背景
随着社会发展，人民对生活质量提出了更高的要求。各式各样的用电器在带给我们生活便利的同时也将电磁辐射带入了家门。电磁辐射看不见，摸不着，以及媒体的错误宣传导致人们对电磁辐射感到恐慌。
市面上现有的电磁辐射检测器有着操作繁琐、价格高昂等缺点，出于 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
这样的原因，设计一种简易且适合家用的电磁强度检测器是十分有必要的。
（二）电磁辐射与电离辐射的区别
电磁辐射又称电磁波，是指同相震荡，且互相垂直的电场与磁场，以波的形式传递能量，其传播方向与电场与磁场的振荡方向互相垂直。其载体为光子，无需传播介质，在真空中以光速传播。从低频率到高频率，主要包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。
是指波长短、频率高、能量高的射线（粒子或波的双重形式），电离辐射可以从原子或者分子里面电离过程中作用出至少一个电子。电离的能力取决于射线（粒子或波）所携带的能量。主要包括α射线、β射线、中子等高能粒子流与γ射线、X射线等高能电磁波。电磁波的频率越高，能量越强，其电离能力也越强。
物理学上辐射的定义是指能量以波或次原子粒子移动的形态，在真空或介质中传送。依据能量的高低以及电离物质的能力分为电磁辐射与非电磁辐射。电磁辐射与电离辐射的区别是其能量的高低，没有本质上的区别。电离辐射波长短，频率高，能量大，可以电离出电子，电磁辐射（非电离辐射）反之。
由于电离辐射会使物质电离的特性，因而会破生物体组织细胞的原子/分子结构，尤其是DNA，大剂量的电离辐射对生物的无害是无法逆转的。
（三）FPGA技术
FPGA（Field Programmable Gate Array）学名叫现场可编程门阵列，是作为专用集成电路（ASIC）领域的一种半定制电路而出现，由Ross Freeman于1985年发明。是一种可以通过硬件描述语言更改、配置器件内部连接机构和逻辑单元，完成特定功能的数字电路。
由于其可以通过硬件描述语言随意更改内部逻辑机构的特性，很多厂商与发烧友将其当作技术验证平台。采用FPGA设计专用集成电路（ASIC电路）无需流片既可获得合适的芯片，采用FPGA设计ASIC电路是一种缩短开发周期、减小开发费用和风险的选择。例如Intel在CPU开发的初期就是用FPGA作为技术验证，甚至在2018第二季度发布了板载FPGA的Intel? Xeon? Gold 6138P Processor。
当然FPGA并非是完美的，目前制约FPGA发展的主要有成本、功耗和编程设计这三大因素。
二、方案的选择
（一）FPGA与单片机
成本
功耗
性能
通用性
FPGA
高
高
高
强
单片机
低
低
低
弱
虽然FPGA相比于单片机成本高、功耗高，但是FPGA作为专用集成电路的半定制电路，可以在产品实际投入市场前根据本设计设计出专用集成电路芯片。这样可以做到比单片机更优秀的能耗比、更低的成本和更强的性能。
（二）天线的选择
天线使用9个1N60二极管串联实现，同时起到检波的作用。对比常见用在收音机上的伸缩天线简化了设计。
1N60属于肖特基二极管，是检波二极管的一种，采用DO35封装，耐压40v，电流上限30mA。多应用于半导体收音机、电视机及各种通信等设备的小信号电路中。
（三）开发板的选择
本设计选用Xilinx公司的Spartan3E系列芯片开发版，是Xilinx公司极具性价比的一个系列。采用90nm的制程，在单位成本上实现更多的功能及带宽处理能力。支持低成本的串行SPI、并进行Flash配置；多达8个DCM；支持区域时钟。同时开发板上集成了本设计所需要的蜂鸣器以及若干外围设备的接口，具有良好的拓展性。由于这些特性，Spartan3E是低成本、低预算的优秀解决方案。
（四）显示器的选择
Spartan3E上自带了8颗数码管。数码管显示数据非常方便，当时数码管仅能显示字母和数字，无法显示所需要的场强与能量密度的单位，如果舍弃单位只显示数值，实际使用起来将会非常不方便。
LCD1602中的1602代表可以显示两行，每行可以显示16个字符。对比数码管，LCD1602可以显示的内容要多的多，不单可以显示数字、字母和字符，甚至可以显示一些汉字。而且开发板上提供了LCD1602所需要的16针接口，可以很方便地连接与使用。
目 录
一、绪论 1
（一）设计背景 1
（二）电磁辐射与电离辐射的区别 1
（三）FPGA技术 1
二、方案的选择 2
（一）FPGA与单片机 2
（二）天线的选择 2
（三）开发板的选择 2
（四）显示器的选择 3
三、硬件设计 3
（一）硬件结构 3
（二）逻辑框图 4
（三）实现原理 4
（四）信号采集 5
四、软件设计 6
（一）FPGA模块框图 6
（二）功率密度计算模块 7
（三）时钟模块 9
（四）BCD码转换模块 9
（五）异步FIFO模块 11
（六）烧录 12
五、实物制作及调试 14
（一）实物制作 14
（二）调试 15
结束语 17
致谢 17
参考文献 18
附录一 FPGA开发板技术参数 19
附录二 源程序 20
附录三 元件清单 31
附录四 电路原理图 32
一、绪论
（一）设计背景
随着社会发展，人民对生活质量提出了更高的要求。各式各样的用电器在带给我们生活便利的同时也将电磁辐射带入了家门。电磁辐射看不见，摸不着，以及媒体的错误宣传导致人们对电磁辐射感到恐慌。
市面上现有的电磁辐射检测器有着操作繁琐、价格高昂等缺点，出于 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
这样的原因，设计一种简易且适合家用的电磁强度检测器是十分有必要的。
（二）电磁辐射与电离辐射的区别
电磁辐射又称电磁波，是指同相震荡，且互相垂直的电场与磁场，以波的形式传递能量，其传播方向与电场与磁场的振荡方向互相垂直。其载体为光子，无需传播介质，在真空中以光速传播。从低频率到高频率，主要包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。
是指波长短、频率高、能量高的射线（粒子或波的双重形式），电离辐射可以从原子或者分子里面电离过程中作用出至少一个电子。电离的能力取决于射线（粒子或波）所携带的能量。主要包括α射线、β射线、中子等高能粒子流与γ射线、X射线等高能电磁波。电磁波的频率越高，能量越强，其电离能力也越强。
物理学上辐射的定义是指能量以波或次原子粒子移动的形态，在真空或介质中传送。依据能量的高低以及电离物质的能力分为电磁辐射与非电磁辐射。电磁辐射与电离辐射的区别是其能量的高低，没有本质上的区别。电离辐射波长短，频率高，能量大，可以电离出电子，电磁辐射（非电离辐射）反之。
由于电离辐射会使物质电离的特性，因而会破生物体组织细胞的原子/分子结构，尤其是DNA，大剂量的电离辐射对生物的无害是无法逆转的。
（三）FPGA技术
FPGA（Field Programmable Gate Array）学名叫现场可编程门阵列，是作为专用集成电路（ASIC）领域的一种半定制电路而出现，由Ross Freeman于1985年发明。是一种可以通过硬件描述语言更改、配置器件内部连接机构和逻辑单元，完成特定功能的数字电路。
由于其可以通过硬件描述语言随意更改内部逻辑机构的特性，很多厂商与发烧友将其当作技术验证平台。采用FPGA设计专用集成电路（ASIC电路）无需流片既可获得合适的芯片，采用FPGA设计ASIC电路是一种缩短开发周期、减小开发费用和风险的选择。例如Intel在CPU开发的初期就是用FPGA作为技术验证，甚至在2018第二季度发布了板载FPGA的Intel? Xeon? Gold 6138P Processor。
当然FPGA并非是完美的，目前制约FPGA发展的主要有成本、功耗和编程设计这三大因素。
二、方案的选择
（一）FPGA与单片机
成本
功耗
性能
通用性
FPGA
高
高
高
强
单片机
低
低
低
弱
虽然FPGA相比于单片机成本高、功耗高，但是FPGA作为专用集成电路的半定制电路，可以在产品实际投入市场前根据本设计设计出专用集成电路芯片。这样可以做到比单片机更优秀的能耗比、更低的成本和更强的性能。
（二）天线的选择
天线使用9个1N60二极管串联实现，同时起到检波的作用。对比常见用在收音机上的伸缩天线简化了设计。
1N60属于肖特基二极管，是检波二极管的一种，采用DO35封装，耐压40v，电流上限30mA。多应用于半导体收音机、电视机及各种通信等设备的小信号电路中。
（三）开发板的选择
本设计选用Xilinx公司的Spartan3E系列芯片开发版，是Xilinx公司极具性价比的一个系列。采用90nm的制程，在单位成本上实现更多的功能及带宽处理能力。支持低成本的串行SPI、并进行Flash配置；多达8个DCM；支持区域时钟。同时开发板上集成了本设计所需要的蜂鸣器以及若干外围设备的接口，具有良好的拓展性。由于这些特性，Spartan3E是低成本、低预算的优秀解决方案。
（四）显示器的选择
Spartan3E上自带了8颗数码管。数码管显示数据非常方便，当时数码管仅能显示字母和数字，无法显示所需要的场强与能量密度的单位，如果舍弃单位只显示数值，实际使用起来将会非常不方便。
LCD1602中的1602代表可以显示两行，每行可以显示16个字符。对比数码管，LCD1602可以显示的内容要多的多，不单可以显示数字、字母和字符，甚至可以显示一些汉字。而且开发板上提供了LCD1602所需要的16针接口，可以很方便地连接与使用。
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