智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)專用CPU設(shè)計(jì)

摘要：智能溫室是近年逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù)，目前國內(nèi)大多以單片機(jī)、通用計(jì)算機(jī)作為溫室系統(tǒng)處理器，由于基于單因子和成本問題，其智能化和效率有待提高。在此通過對目前智能溫室控制器的分析研究，提出并設(shè)計(jì)了一款16位的的單總線專用CPU，且專門針對于智能溫室測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算器和n個(gè)Comparray比較器，并使用VHDL語言在QuartusⅡ6．0中進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。所以，該CPU不但具有通用CPU的基本特性，而且更具有在農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)領(lǐng)域的特殊性。
關(guān)鍵詞：測控系統(tǒng)；專用CPU；Comparvay比較器；VHDL語言

    溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的工作原理就是根據(jù)溫室內(nèi)外裝設(shè)的各種傳感設(shè)備采集或監(jiān)測信息，然后傳遞給處理設(shè)備進(jìn)行分析與處理后，控制其執(zhí)行機(jī)構(gòu)對溫室的環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，以達(dá)到為作物的生長發(fā)育創(chuàng)造最佳環(huán)境條件的目的。

1 目前智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)控制器分析
    由于處理器核心技術(shù)的不斷進(jìn)步，溫室控制系統(tǒng)處理器的處理能力也在飛速發(fā)展，種類也在不斷增多。資料顯示，目前的溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，在核心處理器的選擇上，主要采用以下幾種：
    (1)工業(yè)控制機(jī)
    在這種溫室控制系統(tǒng)中其核心處理器是以工業(yè)控制機(jī)為中心的。其余2個(gè)模塊：一個(gè)主要由用于環(huán)境因子采集的各類傳感器組成；另一個(gè)模塊主要由各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是多輸入和多輸出閉環(huán)控制，所以硬件的開發(fā)量比較小，軟件組態(tài)方面也比較方便，市場很容就能夠買到所需要的硬件及軟件。工業(yè)控制機(jī)的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，因此很容易實(shí)現(xiàn)溫室的群控和網(wǎng)絡(luò)化。其缺點(diǎn)是：一方面是成本較高，因?yàn)楣I(yè)控制機(jī)及相應(yīng)的組態(tài)軟件都需要購買；另一方面是集中控制，如果核心的工控機(jī)發(fā)生了故障，那么將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行遭到破壞。而且在這種以工控機(jī)做為控制器的結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)行系統(tǒng)的布線時(shí)由于多入多出結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，線路鋪設(shè)相當(dāng)復(fù)雜，如果出現(xiàn)了問題在維護(hù)起來也十分不方便。
    (2)單片機(jī)
    在這種控制系統(tǒng)中其性能的好壞主要由所選用的單片機(jī)所決定。其主要特點(diǎn)是單片能夠?qū)θ汁h(huán)境進(jìn)行控制和管理，對使用者的素質(zhì)要求不是很高，操作起來也十分容易，而且投資成本較低。但是在系統(tǒng)搭建時(shí)其線路的鋪設(shè)十分復(fù)雜，出現(xiàn)故障的幾率也是相當(dāng)?shù)母?，因此系統(tǒng)的可靠性必然受到影響；一般還是通過模擬量或開關(guān)量進(jìn)行信號(hào)的輸入、輸出，自動(dòng)化程度比較低。
    (3)可編程邏輯控制器
    可編程邏輯控制器是一種通用的自動(dòng)控制裝置。這種裝置的主要特點(diǎn)就是將傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等融為一體。運(yùn)算能力方面能夠進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算。其控制能力方面相對較強(qiáng)，對于溫室環(huán)境系統(tǒng)來說，它能夠滿足長期連續(xù)的工作和高效率的控制需求；在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，因此可靠性比較高；在操作方面，比較靈活，而且操作方法比較簡單。缺點(diǎn)是不能獨(dú)立進(jìn)行控制需要和上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)合，因此在資金投入方面很大，普通的農(nóng)業(yè)用戶在經(jīng)濟(jì)能力上無法承受。
    (4)嵌入式控制器
    嵌入式控制器是由通用CPU演化而來的，隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。再加上其“專用”的特點(diǎn)，在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用在日趨增多。

2 專用CPU的設(shè)計(jì)
    雖然微處理器的技術(shù)在飛速的發(fā)展，處理能力也在不斷的增強(qiáng)，從4、8、16、32至64位，但通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，16位的微處理器經(jīng)歷了這么多年的發(fā)展之后，生命力依然十分旺盛，在市場上具有相當(dāng)高的占有率。與從16位機(jī)迅速的向32位、64位過渡的通用的計(jì)算機(jī)相比，16位微控制器從誕生至今，雖歷經(jīng)了從單片微型計(jì)算機(jī)到微控制器、微控制器到SoC的變遷，但在嵌入式領(lǐng)域16位機(jī)依然是中低端應(yīng)用的一種主要機(jī)型，而且在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，這個(gè)勢頭仍然會(huì)持續(xù)下去。因?yàn)檫@是由嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完全不同的應(yīng)用特性決定的，所以其技術(shù)發(fā)展道路走向是完全不同的。根據(jù)智能溫室測控系統(tǒng)的特點(diǎn)，在最大限度地滿足數(shù)據(jù)的采集、控制、可靠性和低功耗等品質(zhì)的要求下，16位機(jī)具有很強(qiáng)的速度潛力，因此本所設(shè)計(jì)的專用CPU為16為CPU。作為智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的專用CPU，一方面它和通用的CPU相比具有很多的共同特性，另一方面具有它在農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)領(lǐng)域的特殊性。
2．1 專用CPU的組成結(jié)構(gòu)
    圖1是一個(gè)16位的采用了RISC思想的單總線CISC CPU處理器結(jié)構(gòu)。

    此CPU單獨(dú)設(shè)置了一個(gè)8段的流水FLOAT(浮點(diǎn)型運(yùn)算器)、一個(gè)ALU(定點(diǎn)運(yùn)算器)、一個(gè)PcCount(程序計(jì)算器)、一個(gè)InstrReg(指令寄存器)一個(gè)Shift(移位運(yùn)算器)、一個(gè)ComP(單比較器)、一個(gè)Compn(比較器組、n為可擴(kuò)充)、一個(gè)Controller(控制單元)、一個(gè)AddrReg(地址寄存器)和八個(gè)．Reg0…Reg7(16位寄存器組)，它們共用一組16位的三態(tài)數(shù)據(jù)總線。其工作流程和通用CPU相同，不同的專用寄存器保存指定的內(nèi)容，指令的執(zhí)行分順序和轉(zhuǎn)移兩種方式。
    該結(jié)構(gòu)中有專門針對于智能溫室測控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算器和n個(gè)Comparray比較器。一方面由于本智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的一個(gè)很重要的功能就是硬件實(shí)現(xiàn)智能控制方法，同時(shí)運(yùn)算模塊主要對由采集模塊所采集的環(huán)境因子進(jìn)行比較分析和處理，而所采集數(shù)據(jù)通常是浮點(diǎn)數(shù)，所以本文在CPU的運(yùn)算單元中增加了單獨(dú)的浮點(diǎn)運(yùn)算器；另一方面因?yàn)樵谥悄軠厥覝y控系統(tǒng)中要隨時(shí)對溫度、濕度、CO2濃度等數(shù)據(jù)與作物生長的最佳值比較，如果數(shù)值超越了警戒線，就要采取措施。為了提高處理速度，方便比較，該結(jié)構(gòu)中放置了比較器組，會(huì)把最常用的值在不同的比較器中固化，不但節(jié)省了取操作數(shù)的環(huán)節(jié)，而且也節(jié)省了時(shí)間。
2．2 比較寄存器組的設(shè)計(jì)
    Comparray比較寄存器組是專門針對于智能溫室測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。在智能溫室測控系統(tǒng)中要隨時(shí)對溫度、濕度、CO2濃度等參數(shù)與作物最佳生長值比較，如果數(shù)值超越了設(shè)定值，就要采取措施。該結(jié)構(gòu)中放置了多個(gè)比較器，主要是為了方便比較，因此會(huì)把經(jīng)過時(shí)間測試或?qū)＜姨峁┑淖畛Ｓ玫淖魑锷L不同階段的標(biāo)準(zhǔn)值在不同的比較器中進(jìn)行固化，這樣減少了取操作數(shù)的環(huán)節(jié)，自然就節(jié)約了時(shí)間。比較寄存器組的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    在這個(gè)比較器組中只列了3個(gè)比較器，分別比較CO2濃度、濕度、溫度，在智能溫室控制系統(tǒng)中還有，光照強(qiáng)度、PH值、EC值、室外氣象值、光合作用等，這里只是用這3個(gè)值作為示例。Comparray就相當(dāng)與一個(gè)選擇器，來分別選擇比較寄存器組中的寄存器，這里設(shè)置了3個(gè)比較寄存器，當(dāng)然也可根據(jù)需要進(jìn)行增減。

3 浮點(diǎn)運(yùn)算器的設(shè)計(jì)與仿真
    本專用CPU設(shè)置浮點(diǎn)運(yùn)算器的目的是要將智能控制算法在CPU內(nèi)集成。而此浮點(diǎn)單元在進(jìn)行復(fù)雜的算術(shù)邏輯運(yùn)算時(shí)，主要設(shè)置了狀態(tài)機(jī)，通過狀態(tài)機(jī)對浮點(diǎn)運(yùn)算單元的各個(gè)子模塊進(jìn)行調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。本浮點(diǎn)運(yùn)算單元的子模塊主要有：加減法運(yùn)算器、乘法運(yùn)算器和除法運(yùn)算器。它們之間的協(xié)調(diào)與配合是在總控狀態(tài)機(jī)的負(fù)責(zé)下進(jìn)行的，總控制狀態(tài)機(jī)首先根據(jù)情況啟動(dòng)各個(gè)運(yùn)算子模塊使其進(jìn)入運(yùn)算狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后總控狀態(tài)機(jī)會(huì)收到運(yùn)算結(jié)束的反饋信號(hào)，并且將結(jié)果存入指定寄存器中，或用于輸出或用于下一次運(yùn)算。下面對各個(gè)子模塊進(jìn)行分別設(shè)計(jì)：
3．1 加減法器的設(shè)計(jì)與仿真
    浮點(diǎn)加減法運(yùn)算模塊電路原理如圖3所示。主要由6個(gè)模塊構(gòu)成，分別是Subcell模塊、exchange模塊、move模塊、M_add模塊、standar模塊、cntrl模塊。

    功能仿真如圖4所示。

3．2 浮點(diǎn)乘法器的設(shè)計(jì)與仿真
    浮點(diǎn)數(shù)乘法器的基本思想是符號(hào)與數(shù)值分開處理，2個(gè)操作數(shù)符號(hào)的異或?yàn)榻Y(jié)果的符號(hào)，對于數(shù)值的處理采用的是取底數(shù)相乘、指數(shù)相加減的方法，然后對結(jié)果進(jìn)行規(guī)格化處理后，再調(diào)整指數(shù)。按照浮點(diǎn)數(shù)的乘法步驟解釋程序如下：
    (1)零操作數(shù)判斷
    如果兩個(gè)操作數(shù)中只要有一個(gè)操作數(shù)是0，則結(jié)果為0：

    若q的值為0，則程序就繼續(xù)執(zhí)行一下操作。
    (2)運(yùn)算結(jié)果符號(hào)位判斷
    運(yùn)算結(jié)果符號(hào)位主要是由兩個(gè)操作數(shù)的符號(hào)決定，而其實(shí)現(xiàn)主要是通過一個(gè)異或門電路得到，程序如下：

    (3)冪相加和尾數(shù)相乘
   
    (4)規(guī)格化與舍入處理
    當(dāng)以上3步運(yùn)算結(jié)束后，要對最高位進(jìn)行判斷，從而決定是否需要進(jìn)行規(guī)格化，采用直接舍入法進(jìn)行處理。

    浮點(diǎn)乘法運(yùn)算的功能仿真如圖5所示。

3．3 浮點(diǎn)除法器的設(shè)計(jì)
    除法器的VHDL核心處理代碼如下：
   
    功能仿真如圖6所示。

4 結(jié)語
    針對溫室環(huán)境控制的功能特點(diǎn)，在CPU中設(shè)計(jì)了可擴(kuò)充的環(huán)境值比較器組。用來對采集的單個(gè)環(huán)境值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，不但節(jié)省了存取數(shù)據(jù)的時(shí)間，也提高了溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的系統(tǒng)效率；單獨(dú)設(shè)置了浮點(diǎn)運(yùn)算器使得此專用CPU可以對智能控制算法的硬件集成提供良好的支撐，使得無PC的參與、無龐大專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的支撐，同樣具有反應(yīng)專家知識(shí)的功能。