基于FPGA智能窗控制系统 3.2.2.2 DS18B20有两种供电接法
数据线供电方式和外部供电方式。DS18B20可以通过从VDD引脚接入一个外部电源供电，或者可以工作于寄生电源模式下，该模式允许DS18B20工作于无外部电源需求状态。寄生电源寄生在进行远距离测温时是非常有用的。寄生电源的控制回路，当总线为高电平时，寄生电源由单总线通过VDD引脚。这个电路会在总线处于高电平时偷能量，部分及取得能量存储在寄生电源储能电容（CPP）内，在总线处于低电平时释放能量以提供给器件能量。当DS18B20处于寄生电源模式时，VDD引脚必须接地。
对DS18B20供电的另一种传统办法是从VDD引脚接入一个外部电源，即外部供电方式。这样做的好处是单总线上不需要强上拉。而且总线不用在温度转换期间总保持高电平。
综合以上供电方式优缺点，虽然寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。而本设计方案要求实时控制因此本系统设计采用外部供电方式，如图3-3所示。在单总线上可以挂任意多片DS18B20。注意当加上外部电源时，GND引脚不能悬空。
VCCU127.0VCCDQGND321R14.7kDS18B20DS18B20GND 图3-3 DS18B20温度传感器外部电源供电方式
3.3 CO2气体检测模块
3.3.1 CO2气体传感器
气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样本进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或冷处理仪表显示部分。即气体敏感元件就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、分析、报警。现在市面上有各种各样的气体传感器。气体传感器在民用、工业、环境检测等方面都有着广泛的应用。
气体传感器的选择方向也从以下几方面进行考量：
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基于FPGA智能窗控制系统 （1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的于扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
（2）响应特性（反应时间）。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。
（3）线性范围。传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
现如今市场上比较常用的二氧化碳传感器主要有两种：一种是固态电解质的，另外一种就是红外工作原理的。其中固态电解质二氧化碳传感器的工作原理是指气敏材料在有气体通过时产生离子而形成电动势，根据测量电动势大小而测量气体浓度；红外二氧化碳传感器的工作原理对特定波段红外辐射的吸收作用，通过对透过测量室的辐射能量的减弱与增加，从而测出二氧化碳浓度。一般固态电解质二氧化碳传感器电导率高、灵敏度和选择性较好，用途比较广泛。
基于多种条件的制约本系统设计采用的CO2传感器为美国通用公司的GE6603型传感器，它可广泛应用于家庭网络、通风系统、控制器、壁件、机器人、汽车等，也可以应用于其他许多装置来控制空气质量。其外形结构如图3-4所示。
GE6603型传感器的性能指标： 测量范围：0-2000ppm 取样方式：扩散式 精度：±75ppm或读数的10% 响应时间：< 3 min
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基于FPGA智能窗控制系统 工作条件：5℃~30℃,20%~100%RH，非冷凝 储存条件：-20℃~50℃ 输出方式：UATR&PWM
图3-4 CO2传感器GE6603外形结构图
3.3.2 CO2气体传感器工作原理
本传感器由红外发光管、气体采样空腔、带通滤波镜等组成，其基本结构如图所示。本传感器采用分散型红外线(NDIR)技术，红外发光管发出宽频段红外光线，气体采样空腔中的CO2吸收与之相关的频谱的红外线，带通滤波镜滤除分离出与CO2相关频谱的红外光线后被红外传感器检测并转化为电信号，经放大电路放大后，进行相应补偿运算后即可得到测量气体中CO2浓度。
测量公式为：
I1?I0?e?KCLi （3-1）
其中：
I1：CO2浓度为测量值时的电流信号强度；
I0：红外光线初始入射光线强度，CO2浓度为0ppm时的电流信号强度；
K：检测气体吸收常数； C：检测气体当前浓度；
Li：红外光线在空腔中通过距离。
3.3.3 CO2气体传感器外围接口电路
CO2气体传感器外围接口电路如图3-5所示。
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基于FPGA智能窗控制系统 VCCR2J1123SIL-100-0310kC2104uFC32.5uFR31kCO2C1104uFGNDGND 图3-5 CO2气体传感器GE6603外围接口电路图
此电路中C1、E1为电源去耦电容，CON1的2接口连接传感器模块的PWM脉冲输出端，通过计算输出方波的占空比对应PWM输出分辨率便能计算出测量环境中CO2的浓度。
3.4 GSM通信模块
3.4.1 GSM的介绍
全球移动通讯系统GSM(Global System for Mobile Communications)是由欧洲电信标准化协会(ETSI)开发的数字移动电话网络标准，是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的，同时也是基于TDMA的数字蜂窝移动通信系统。GSM移动通信原理是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。其目的是让全球各地共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球，也是我国目前覆盖范围最广、功能最强、用户最多的移动通信系统。GSM中的短信息业务SMS(定义于ETSI制定的标准GSM 03.40)提供的短信服务具有收费低廉、随时随地获取信息的便利。GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。
因此，GSM模块具有发送SMS短信、语音通话、GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。
3.4.2 TC35i的介绍
在国内已经开始使用的GSM模块有Falcom的AZD系列，wavecom的翎02系列，西门子的TC35i系列，爱立信的DMIO/DM20系列，中兴的ZxGM18系列等，这些模块的功能、用法差别不大，并且提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范。其中西门子的TC35i系列模块性价比很高，并且己经有国内的无线电设备入网证，所以综合各方面考虑本设计选用的是西门子TC35i。TC35i外形结构图如图3-6所示。
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基于FPGA智能窗控制系统 TC35i是德国SIEMENS（西门子）公司的一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。是西门子为适应各个专业领域对无线数据传输、语音传输及可开发性的需求推出的基于GSM900移动通信网络系统的OEM模块，功能上与TC35i兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。TC35i与GSMZ/2+兼容、双频(GSM900/GSM1800)、RS232数据口、符合ETSI标准GSM07.07和GSMO7.05且易于升级为GPRS模块;该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，接口协议公开，方便用户的应用开发及设计。在GSM网络日臻完善的今天，TC35i秉承了西门子一贯的优秀品质，它易于集成，可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域您都能看到TC35i无线模块在发挥作用，使用它是产品质量和性能的保证。
图3-6 TC35i外形结构图
模块隶属于Phase I GSM calss4，具有语音、数据、传真和中英文短信息功能，可广泛应用于移动计算、智能交通、遥感测量、银行金融和商业零售等领域。TC35i模块结构图如图3-7所示。
天线SIEMENS GSM模块 TC35i天线插FLSHGSM频射部分GSM基带处理器40芯的ZIF连接器电源ASIC
图3-7 TC35i模块的结构示意
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