基于SOPC的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)

 引言
    SOPC(System On a Programmable Chip)稱為可編程片上系統(tǒng)，它是基于用可編程邏輯器件(FPGA或CPLD)的可重構(gòu)的片上系統(tǒng)(SOC)?？删幊唐舷到y(tǒng)(SOPC)是AL-TERA公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。它將處理器、存儲(chǔ)器、I／O口等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程器件上，構(gòu)成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。SOPC結(jié)合了SOC和CPLD、FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，具備有以下基本特征：至少包含一個(gè)嵌入式處理器內(nèi)核；具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；豐富的IP核資源可供選擇；足夠的片上可編程邏輯資源；處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口；包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗、微封裝。
    溫濕度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國(guó)防、科研、航天和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù)，而溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥、農(nóng)作物栽培和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等許多領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上大多數(shù)的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)是基于單片機(jī)或ARM系列芯片來(lái)設(shè)計(jì)的。對(duì)比這兩種設(shè)計(jì)，基于SOPC的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的集成度更高也更加輕便；比基于單片機(jī)的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定度和精度更高，而比基于ARM系列芯片的溫濕度自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方式更方便，設(shè)計(jì)周期更短．成本價(jià)更有優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成
    溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為兩層：第一層是由PC機(jī)組成的，作為上位機(jī)；第二層是由Nios系統(tǒng)和外圍設(shè)備組成的，作為下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用RS485總線進(jìn)行通信。

    下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示．它是由Nios系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)及顯示、輸入、輸出端口組成的。Nios系統(tǒng)由CPU(Nios)、片上RAM、定時(shí)器、總線、異步串口UART和通用PIO組成。其中．NIOS系統(tǒng)通過(guò)PIO與A／D轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)、LED顯示器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等連接。

    溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程是：首先通過(guò)溫濕度傳感器進(jìn)行信息采集；其次是NIOS系統(tǒng)把采集到的信息通過(guò)UART接口傳送至上位機(jī)．上位機(jī)對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析處理；最后，NIOS系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)的分析處理結(jié)果對(duì)終端控制設(shè)備輸出決策的指令，如果溫度或濕度超限，則顯示并報(bào)警，同時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或加熱器等設(shè)備。該控制系統(tǒng)在下位機(jī)還增加了鍵盤(pán)輸入，這樣下位機(jī)可以單獨(dú)使用，從而使下位機(jī)本身成為一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)。我們下面重點(diǎn)介紹下位機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 系統(tǒng)下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
    SOPC系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)步驟如下：用SOPC Builder生成NiosⅡ嵌入式處理器；用QuartusⅡ?qū)iosⅡ嵌入式處理器和其他邏輯電路結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入；然后進(jìn)行編譯(包括分析綜合和布局布線)；最后通過(guò)下載電纜將硬件配置數(shù)據(jù)下載到FPGA中。
    本系統(tǒng)的下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)采用ALTERA公司的SOPC開(kāi)發(fā)工具(即SOPC Builder)進(jìn)行設(shè)計(jì)。ALTERA公司提供的SOPC Builder工具可以方便設(shè)計(jì)個(gè)性化的NiosⅡ軟核。裁剪掉不需要的外設(shè)以節(jié)省系統(tǒng)資源，增加需要的接口。利用SOPC Builder工具設(shè)計(jì)者可以很方便地把處理器，存儲(chǔ)器、其它外設(shè)模塊和必要的PIO接口連接起來(lái)開(kāi)發(fā)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在SOPC Builder。圖形用戶界面下，設(shè)計(jì)者還可以管理IP模塊．設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)并選擇可用的端口和外設(shè)。完成設(shè)計(jì)之后，系統(tǒng)啟動(dòng)生成程序，就會(huì)生成大量的輸出文件，包括HDL邏輯文件、程序的頭文件和庫(kù)文件等。這些文件都包含在NiosII IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境中，在此軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上就可以進(jìn)行NiosII的軟件開(kāi)發(fā)了。
2．1 NiosⅡ軟核處理器[!--empirenews.page--]
    NiosⅡ軟核處理器是ALTERA公司推出的一種通用32位RISC嵌入式處理器。它特別為可編程邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并配備有功能完善的開(kāi)發(fā)套件。包括C／C++編譯器、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(1DE)、JTAG調(diào)試器等，是ALTERA公司可編程單芯片系統(tǒng)解決方案的核心。
    作為軟核處理器。NIOS II提供了可配置的硬件及軟件調(diào)試特性．包括基本的JTAG的運(yùn)行控制(運(yùn)行、停止、單步、存儲(chǔ)器等)、硬件斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)觸發(fā)、片內(nèi)和片外跟蹤、嵌入式邏輯分析儀。這些強(qiáng)大的工具可以在開(kāi)發(fā)階段使用，調(diào)試通過(guò)后便可以去掉，節(jié)省資源。NIOSⅡ處理器還提供了高、中、低三種不同性能的內(nèi)核，通過(guò)與ALTERA提供的超過(guò)60種IP核(如UART、時(shí)鐘、DMA、SDRAM、并行IPO等)結(jié)合使用，設(shè)計(jì)師可以方便地針對(duì)特定的應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)在處理器、外設(shè)、存儲(chǔ)器和PIO接口方面都完美的方案。除此以外，NIOSlI還有很多其他優(yōu)秀的特性，如指令定制、硬件加速器等。
2．2 AVALON總線
    AVALON總線是為了將片內(nèi)處理器和外圍設(shè)備連接成可編程片上系統(tǒng)(SOPC)而設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單總線結(jié)構(gòu)，該總線規(guī)定了控制器和從屬組件間的端口連接以及組件問(wèn)通信的時(shí)序。AVALON總線的基本傳輸模式是在一個(gè)主外設(shè)和一個(gè)從外設(shè)之間進(jìn)行單個(gè)字節(jié)、半字或字的傳輸。當(dāng)一次傳輸結(jié)束后，不論新的傳輸過(guò)程是否還是在同樣的外設(shè)之間進(jìn)行，AVALON總線總是可以在下一個(gè)時(shí)鐘周期立即開(kāi)始另一次傳輸。AVALON總線支持多個(gè)總線主外設(shè)，允許單個(gè)總線事務(wù)中在外設(shè)之間傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)單元。這一多主設(shè)備結(jié)構(gòu)為構(gòu)建SOPC系統(tǒng)提供了極大的靈活性，并且能適應(yīng)高帶寬的外設(shè)。
2．3 外圍設(shè)備
    在該系統(tǒng)中．NIOS系統(tǒng)中包含有片上RAM、定時(shí)器、異步串口UART和通用PIO等外圍設(shè)備。這些外圍設(shè)備集成在SOPC BUILDER開(kāi)發(fā)工具中，用戶只要將需要的外圍組件與CPU通過(guò)AVALON總線集成在FPGA中，就可以完成整個(gè)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)，從而縮短了設(shè)計(jì)周期。
2．4 溫濕度傳感器
    該系統(tǒng)選用的溫濕度傳感器是SHTll，該傳感器是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有PC總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨(dú)特的CMOSens TM技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是在NIOS IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行的，在SOPC Builder生成的軟件基礎(chǔ)上，利用C／C++語(yǔ)言編寫(xiě)源程序，然后經(jīng)過(guò)編譯、連接、調(diào)試生成可執(zhí)行文件．最后通過(guò)下載電纜對(duì)可執(zhí)行程序進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行。系統(tǒng)下位機(jī)軟件主要包括初始化、數(shù)據(jù)采集子程序、串口接收與發(fā)送子程序、溫濕度控制子程序及顯示子程序。在這里重點(diǎn)介紹溫濕度控制子程序的流程圖．如圖3所示。

    該溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的溫度要求控制在5℃～30℃之間，若采集到的溫度T>30℃，程序轉(zhuǎn)向Jw(降溫處理程序)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；若T<5℃，則程序轉(zhuǎn)向SW(升溫處理程序)。并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；若30℃>T>5℃，則程序轉(zhuǎn)向顯示子程序并返回主程序．濕度控制過(guò)程和溫度類似。

4 結(jié)論
    本系統(tǒng)利用SOPC技術(shù)，將信號(hào)采集模塊和微處理模塊巧妙的集成到一片F(xiàn)PGA內(nèi)部．并利用可編程邏輯的靈活性和NIOS II的強(qiáng)大處理能力，方便地實(shí)現(xiàn)了溫濕度自動(dòng)控制的功能。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能還是相對(duì)比較簡(jiǎn)單的，由于FPGA內(nèi)部還有大量的邏輯資源可以利用．因此可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。
    實(shí)際結(jié)果表明：基于SOPC的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行正常、數(shù)據(jù)傳輸可靠、操作管理方便，如果再配備上485總線。整個(gè)系統(tǒng)將如虎添翼。
    由于FPGA的可編程特性，可以在不改變?nèi)魏瓮鈬娐返那闆r下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件升級(jí)，大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)的壽命周期，這一點(diǎn)也是相對(duì)于其它控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，采用SOPC方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，正符合當(dāng)今科技的發(fā)展方向。