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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王宏益
研究生(外文):Hang-Yi Wang
論文名稱:以一階微分方程為基礎之氫氣感測系統設計與實作
論文名稱(外文):Design and Implementation of Hydrogen Sensing System Based on First-Order Differential Equation
指導教授:林坤緯林坤緯引用關係
指導教授(外文):Kun-Wei Lin
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:資訊工程系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:Verilog氫氣感測器一階微分方程FPGA
外文關鍵詞:Hydrogen sensorsVerilogFPGAfirst order differential equations
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本文旨在提出一個基於一階微分方程(First-Order Differential Equation)演算法的氫氣感測系統。本研究之氫氣感測系統採用一階微分方程來解決目前氣體感測系統得兩大困擾,一、快速呈現氣體濃度,尤其是低氣體濃度的暫態反映時間長。二、在保有原始感測資料的特性下,有效減少冗餘資料,以利感測資料傳輸。除此之外,我們並將演算法所得結果以單晶片以及FPGA系統,完成模擬與實作。
在單晶片統製作方面,我們採用目前的主流MSC-51單晶片,氫氣感測系統包含有半導體感測器、類比/數位轉換器(ADC)、單晶片以及周邊設備。由半導體感測器得到之類比訊號經過(ADC)之後轉換為數位訊號後輸出至單晶片,在單晶片運算出最後結果並顯示在LCD上,並可將危險訊號藉由手機服務送出至特定人士,此外為了達到系統單晶片(System-on-a-chip,SoC)的目的,我們將單晶片系統所提出的架構在FPGA系統中實現。本論文使用ModelSim SE 6.3a與Quartus II 10.1來模擬所提出的FPGA系統架構,並進行數據模擬,最後亦實作出結果。由實驗得知氫氣感測預測濃度所花費時間將可減少4到11倍,減少的傳輸點數大約40至50倍。
A hydrogen sensing system by using First-Order Differential Equation algorithm is proposed. The First-Order Differential Equation is adapted in the studied gas sensing system to solve the two major concerns, one is how to show the gas concentration in the shortest time, especially for the low gas concentration, another is how to keep the features of gas transient response and reduce the redundant data. Furthermore, the extracted data from the studied algorithm are designed and implemented by using MSC-51 signal-chip system and FPGA.
In Signal-Chip system, the hydrogen sensing system includes hydrogen sensor fabricated by semiconductor, ADC, MSC-51 signal-chip and related controlled devices. Through ADC, the hydrogen sensing signals (analog signal) are transferred into digital signals. The final results calculated on signal-chip will be displayed on the LCD and the dangerous signal will be sent by mobile phone service to the specific persons. The ModelSim SE 6.3a and Quartus II 10.1 are used and the gas sensing data is calculated for FPGA system. From the experimental results, we can find that the required time of getting gas concentration is reduced 4 to 11 times and the transmitted hydrogen sensing data is reduced 40 to 50 times. The range of detecting hydrogen concentration is from 15 ppm H2/air to 10000 ppm H2/air.
目錄
博、碩士文授權書 ................................................................................................ I
論文口詴委員會審定書(中文) ...................................................................... II
論文口詴委員會審定書(英文) ..................................................................... III
中文摘要 ............................................................................................................. IV
Abstract................................................................................................................. V
誌謝 ..................................................................................................................... VI
圖目錄 .................................................................................................................. X
表目錄 .............................................................................................................. XIV
第一章 緒論 ......................................................................................................... 1
1.1研究背景及動機 ...................................................................................... 1
1.2研究目的與方法 ...................................................................................... 2
1.3本文架構 .................................................................................................. 4
第二章 基礎理論與文獻探討 ............................................................................. 5
2.1感測器之研製方法 .................................................................................. 5
2.2數位積體電路與FPGA ........................................................................... 7
2.2.1數位積體電路設計 ........................................................................ 7
2.2.2 FPGA設計與規劃 ......................................................................... 8
2.2.3 Verilog語言與流程 ..................................................................... 10
VIII
2.2.4 Verilog HDL設計 ........................................................................ 13
第三章 氣體感測系統架構 ............................................................................... 15
3.1前言 ........................................................................................................ 15
3.2單晶片設計之之氫氣感測系統架構 .................................................... 15
3.2.1單晶片原理與流程 ...................................................................... 15
3.2.2單晶片系統設計 .......................................................................... 17
3.3基於FPGA設計之氣體感測系統架構 ................................................ 19
3.3.1 FPGA系統設計原理 ................................................................... 19
3.3.2 FPGA設計流程 ........................................................................... 19
第四章 數據模擬與分析 ................................................................................... 21
4.1 演算法應用 ........................................................................................... 21
4.1.1微分方程式 .................................................................................. 21
4.1.2氣體之濃度判斷與預測 .............................................................. 23
4.1.3數據簡化 ...................................................................................... 27
4.2數據預測模擬 ........................................................................................ 30
4.3 數據簡化模擬 ....................................................................................... 35
第五章 氫氣感測系統實作與實驗結果 ........................................................... 44
5.1前言 ........................................................................................................ 44
5.2單晶片硬體架構實作與結果 ................................................................ 48
5.2.1單晶片硬體設計 .......................................................................... 48
5.2.2單晶片系統實作與討論 .............................................................. 51
5.3 FPGA系統模擬與結果 ......................................................................... 58
5.3.1設計流程 ...................................................................................... 58
5.3.2平行運算處理 .............................................................................. 60
5.3.3 FPGA實作結果 ........................................................................... 61
第六章 結論 ....................................................................................................... 67
參考文獻 ............................................................................................................. 69
附錄 ..................................................................................................................... 72
圖目錄
圖1-1 單晶片感測架構 ....................................................................................... 3
圖1-2 FPGA感測架構 ........................................................................................ 3
圖2-1 氫氣感測器之架構 ................................................................................... 6
圖2-2 硬體描述語言設計流程圖 .................................................................... 10
圖2-3 Verilog HDL設計流程圖........................................................................ 12
圖2-4 Verilog 模組之組成元件 ........................................................................ 13
圖2-5 循序電路之示意圖 ................................................................................. 14
圖3-1 MCS-51內部架構 ................................................................................... 16
圖3-2 微控制器系統方塊圖............................................................................. 17
圖3-3 單晶片系統架構圖 ................................................................................. 18
圖3-4 FPGA系統架構圖 .................................................................................. 20
圖4-1 一階微分變化圖 ..................................................................................... 23
圖4-2 微分判斷流程圖 ..................................................................................... 26
圖4-3 數值簡化流程圖 ..................................................................................... 29
圖4-4 15ppm模擬預測圖 ................................................................................. 31
圖4-5 50ppm模擬預測圖 ................................................................................. 31
圖4-6 100ppm模擬預測圖 ............................................................................... 32
圖4-7 200ppm模擬預測圖 ............................................................................... 32
圖4-8 500ppm模擬預測圖 ............................................................................... 33
圖4-9 1000ppm模擬預測圖 ............................................................................. 33
圖4-10 5000ppm模擬預測圖 ........................................................................... 34
圖4-11 10000ppm模擬預測圖 .......................................................................... 34
圖4-12 15ppm原始圖與進行簡化 ................................................................... 36
圖4-13 15ppm簡化模擬圖 ............................................................................... 36
圖4-14 50ppm原始圖與進行簡化 ................................................................... 37
圖4-15 50ppm簡化模擬圖 ............................................................................... 37
圖4-16 100ppm原始圖與進行簡化 ................................................................. 38
圖4-17 100ppm簡化模擬圖 ............................................................................. 38
圖4-18 200ppm原始圖與進行簡化 ................................................................. 39
圖4-19 200ppm簡化模擬圖 ............................................................................. 39
圖4-20 500ppm原始圖與進行簡化 ................................................................. 40
圖4-21 500ppm簡化模擬圖 ............................................................................. 40
圖4-22 1000ppm原始圖與進行簡化 ............................................................... 41
圖4-23 1000ppm簡化模擬圖 ........................................................................... 41
圖4-24 5000ppm原始圖與進行簡化 ............................................................... 42
圖4-25 5000ppm簡化模擬圖 ........................................................................... 42
圖4-26 10000ppm原始圖與進行簡化 ............................................................. 43
圖4-27 10000ppm簡化模擬圖 ......................................................................... 43
圖5-1感測器暫態響應曲線圖.......................................................................... 44
圖5-2 氣體感測腔體圖 ..................................................................................... 45
圖5-3 質量流量控制器 ..................................................................................... 46
圖5-4 氫氣鋼瓶 ................................................................................................. 46
圖5-5 半導體參數量測儀4155B ..................................................................... 47
圖5-6 單晶片電路圖架構 ................................................................................. 49
圖5-7 PCB電路圖 ............................................................................................. 50
圖5-8 3D PCB正面圖 ....................................................................................... 50
圖5-9 3D PCB背面圖 ....................................................................................... 50
圖5-10 感測系統之單晶片實作....................................................................... 52
圖5-11 單晶片系統感測濃度值(25ppm→43 ppm) ......................................... 53
圖5-12 單晶片系統感測濃度值(43ppm→61ppm) ......................................... 53
圖5-13 單晶片系統感測濃度值(4631ppm→5191ppm) ................................. 54
圖5-14 單晶片系統感測濃度值(7325ppm→7815ppm) ................................. 54
圖5-15 單晶片系統感測濃度值(8142ppm→8469ppm) ................................. 55
圖5-16 單晶片系統感測濃度值(9122ppm→9613ppm) ................................. 55
圖5-17 單晶片系統感測濃度值(9613ppm→9449ppm) ................................. 56
圖5-18 單晶片系統感測濃度值(9776ppm→9776ppm) ................................. 56
圖5-19 監控軟體 ............................................................................................... 57
圖5-20 SMS系統之簡訊訊息 .......................................................................... 57
圖5-21 Altera DE2-115開發平台 ..................................................................... 59
圖5-22 電路設計流程 ....................................................................................... 59
圖5-23 比較傳統式與平行式時序圖 .............................................................. 60
圖5-24 氫氣感測系統預測全模組時序圖上半部 .......................................... 62
圖5-25 氫氣感測系統預測全模組時序圖下半部 .......................................... 63
圖5-26 FPGA系統感測濃度值(25ppm→43ppm) ........................................... 64
圖5-27 FPGA系統感測濃度值(43ppm→72ppm) ........................................... 64
圖5-28 FPGA系統感測濃度值(4331ppm→5041ppm) ................................... 65
圖5-29 FPGA系統感測濃度值(8412ppm→8491ppm) ................................... 65
圖5-30 FPGA系統感測濃度值(9776ppm→9776ppm) ................................... 66
表目錄
表4-1 15ppm-200ppm的變化率值 ................................................................... 25
表4-2 500ppm-10000ppm的變化率值 ............................................................. 25
表4-3 以微分方程所需時間比較表 ................................................................ 30
表4-4 簡化數值之原始數值與簡化數值比較表 ............................................ 35
表5-1 八種氫氣濃度對應電流大小 ................................................................ 47
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