引言

SOPC(System On a Programmable Chip,可編程芯片系統(tǒng))就是在一個(gè)可編程芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)電子系統(tǒng)的技術(shù)。SOPC是可編程邏輯器件技術(shù)和SoC(System on Chip)技術(shù)發(fā)展與融合的產(chǎn)物[1?2]。

SOPC的關(guān)鍵技術(shù)之一就是IP核，也就是知識(shí)產(chǎn)權(quán)核。所謂的IP核就是指將一些比較復(fù)雜的功能模塊，如音頻編/解碼、SDRAM等，設(shè)計(jì)成可以修改參數(shù)的模塊，可以直接調(diào)用。實(shí)際的SOPC設(shè)計(jì)過(guò)程，用戶常常有特殊的需求，而EDA廠商未提供該IP核。所以，在設(shè)計(jì)中添加用戶自定義組件顯得特別重要。

1　Avalon總線

SOPC組件通過(guò)Avalon交換架構(gòu)或者Avalon總線連接在一起，SOPC系統(tǒng)的可定制特性要求Avalon總線也具備靈活的可定制特性。Avalon總線是一種協(xié)議較為簡(jiǎn)單的同步總線，有其規(guī)范及傳輸模式。

Avalon總線是由Altera公司開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)用的用于連接SOPC系統(tǒng)組件及從組件的內(nèi)部連線技術(shù)，它是由SOPC Builder自動(dòng)生成，是一種理想的用于系統(tǒng)處理器和外設(shè)之間的內(nèi)連總線。一般使用的是Avalon從端口。一個(gè)典型從端口包含的信號(hào)如表1所列。

表1　Avalon從端口信號(hào)

Avalon總線使用很少的邏輯資源支持?jǐn)?shù)據(jù)總線復(fù)用、地址譯碼、產(chǎn)生等待周期和高級(jí)交換式總線傳輸。該總線為用戶提供非常友好的接口，屏蔽搭建系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，減輕了系統(tǒng)搭建的工作量。

2　SHT11自定義IP核的開(kāi)發(fā)

2.1　SHT11溫濕度傳感器

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的SHTxx系列數(shù)字溫濕度傳感器。它是基于先進(jìn)的CMOSens數(shù)字傳感技術(shù)，具有極高的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字接口，大大縮短研發(fā)時(shí)間，簡(jiǎn)化外圍電路并降低費(fèi)用。此外，具有體積小、響應(yīng)迅速、能耗低、可浸沒(méi)、抗干擾能力強(qiáng)、溫濕一體的特點(diǎn)，兼有露點(diǎn)測(cè)量，性價(jià)比高，使該產(chǎn)品能夠適于多種場(chǎng)合的應(yīng)用。SHT11的高級(jí)功能是通過(guò)狀態(tài)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3]。

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由圖可知，系統(tǒng)主要分為接口模塊和行為模塊，行為模塊實(shí)現(xiàn)芯片的驅(qū)動(dòng)邏輯功能，接口模塊通過(guò)內(nèi)部總線和Avalon總線相連，實(shí)現(xiàn)了對(duì)行為模塊的控制。利用SOPC Builder建立系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線來(lái)控制SHT11。其中要加上10 kΩ的上拉電阻。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用自定義IP核的方式，也就是把SHT11看成外部存儲(chǔ)器或者是I/O設(shè)備，將其作為從設(shè)備連接到Nios II嵌入式處理器的Avalon總線上，系統(tǒng)用訪問(wèn)I/O設(shè)備或者是讀寫(xiě)寄存器的方式對(duì)其進(jìn)行控制。所以，編寫(xiě)自定義IP核的時(shí)候，根據(jù)實(shí)體SHT11的時(shí)序要求，編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)、接口等，靈活地控制并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序。其中可以按照自己的需求靈活地定義狀態(tài)、標(biāo)志位、控制位等。設(shè)計(jì)完成后，獨(dú)立添加到SOPC Builder，用戶可以直接使用。該方法比單純利用PIO內(nèi)核更加節(jié)省處理器的開(kāi)銷(xiāo)，充分發(fā)揮了處理器的能力[4?6]。

2.2　接口模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)SHT11的描述，確定該模塊與Avalon所需要的接口信號(hào)。通過(guò)使用較少的信號(hào)來(lái)處理讀寫(xiě)。系統(tǒng)通過(guò)時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線和SHT11相連，根據(jù)時(shí)鐘的時(shí)序向數(shù)據(jù)線寫(xiě)命令，SHT11通過(guò)數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)模塊的輸入信號(hào)為：clk，sysclk, n_rest， data_i，data_o，wr，rd, addr。輸出信號(hào)為：SCK,DATA(DATA是雙向數(shù)據(jù)線)。端口信號(hào)的部分說(shuō)明如下：

moduleSHT11(

clk,//系統(tǒng)時(shí)鐘

n_rest,//系統(tǒng)復(fù)位

data_i,//Avalon寫(xiě)數(shù)據(jù)總線

data_o,//Avalon讀數(shù)據(jù)總線

wr,//Avalon寫(xiě)請(qǐng)求

rd,//Avalon讀請(qǐng)求

sysclk,//系統(tǒng)時(shí)鐘

addr，//Avalon地址總線

SCK,//時(shí)鐘線輸出

DATA,//數(shù)據(jù)輸入輸出(雙向)

);

2.3　行為模塊的實(shí)現(xiàn)

行為模塊實(shí)現(xiàn)的是SHT11的功能。該部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)SHT11的控制。設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)驅(qū)動(dòng)控制的規(guī)范以及時(shí)序的要求來(lái)編寫(xiě)。設(shè)計(jì)的過(guò)程中，信號(hào)的控制較為復(fù)雜，但在時(shí)序邏輯中，這又十分重要?？梢栽O(shè)定一系列的寄存器，作為訪問(wèn)硬件的通道[7?8]。

根據(jù)其驅(qū)動(dòng)規(guī)范，不同的命令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。傳輸開(kāi)始時(shí)，應(yīng)該發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)包括時(shí)鐘線為高，數(shù)據(jù)線由高變低，并在下一個(gè)時(shí)鐘線為高的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)線變高。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)始后，輸入相應(yīng)指令(包含3位地址和5位命令)，通過(guò)數(shù)據(jù)線，確定接收到ACK信號(hào)后，表示SHT11已經(jīng)正確接收命令。待一定的時(shí)間后，當(dāng)數(shù)據(jù)線由高拉低后開(kāi)始信號(hào)的傳輸。系統(tǒng)通過(guò)確認(rèn)數(shù)據(jù)線上的ACK來(lái)確定每個(gè)字節(jié)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸完畢，進(jìn)行CRC校驗(yàn)。校驗(yàn)完畢后，ACK為高，結(jié)束傳輸。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用嵌套狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)邏輯。根據(jù)驅(qū)動(dòng)控制器的讀寫(xiě)命令及讀寫(xiě)時(shí)序，采取不同狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。輸入命令之后，根據(jù)不同的讀寫(xiě)請(qǐng)求，進(jìn)入不同的狀態(tài)機(jī)。

圖2　狀態(tài)機(jī)

通過(guò)rd和wr以及地址addr控制數(shù)據(jù)線的讀寫(xiě)。當(dāng)addr=1&&wr，則向數(shù)據(jù)線寫(xiě)數(shù)據(jù)(data_i)，data_i的輸入格式是crc(1位)wr_data(16位)command(2位)，當(dāng)addr=0&&wr，進(jìn)入狀態(tài)機(jī);當(dāng)addr=2&&rd，從數(shù)據(jù)線讀取數(shù)據(jù)data_o。

設(shè)內(nèi)部寄存器command，根據(jù)不同的命令，進(jìn)入不同的狀態(tài)機(jī)循環(huán)：若command為01，通過(guò)數(shù)據(jù)線向寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù);若command為10，通過(guò)數(shù)據(jù)線從寄存器讀數(shù)據(jù);若command為其他，則讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)傳送8位數(shù)據(jù)后，需判斷雙向數(shù)據(jù)線DATA的ACK信號(hào)的高低，當(dāng)接收到ACK信號(hào)時(shí)，再根據(jù)相應(yīng)的命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，需要經(jīng)行CRC校驗(yàn)。圖3是仿真時(shí)序圖，實(shí)現(xiàn)向寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)的功能。

2.4　軟件設(shè)計(jì)

該部分可以直接在SOPC Builder 中添加設(shè)計(jì)好的IP核和Verilog HDL 語(yǔ)言描述的文件,并根據(jù)Avalon 總線傳輸規(guī)范設(shè)置好相關(guān)的信號(hào)線，如圖4所示。這里要注意，使用的是從端口。完成后,將IP核添加至SOPC中,建立內(nèi)嵌系統(tǒng)，并編譯下載到FPGA 器件中。

圖3　時(shí)序仿真圖

圖4　Avalon接口信號(hào)

由于在NiosII IDE 環(huán)境下可直接編寫(xiě)用戶程序,所以可以不用編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。在NiosII IDE 環(huán)境下,可直接調(diào)用函數(shù)IOWR (BASE,OFFSET,DATA) 和IORD(BASE ,OFFSET) 對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)。Avalon總線在wr和rd的控制下進(jìn)行讀寫(xiě)。

3　測(cè)試

農(nóng)業(yè)智能大棚(該花卉的適宜溫度是18 ℃，適宜濕度是58 RH)，也就是棚內(nèi)維持在作物適宜生長(zhǎng)的溫度、濕度等。若有變化，其將會(huì)調(diào)節(jié)相應(yīng)的外圍設(shè)備，來(lái)保持最佳環(huán)境。在大棚中，在測(cè)試節(jié)點(diǎn)上，SHT11監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的溫度和濕度，將數(shù)據(jù)送到nRF24L01，數(shù)據(jù)通過(guò)基站最終到達(dá)終端虛擬控制中心。其所獲得的數(shù)據(jù)變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5　溫度隨時(shí)間的變化曲線圖　圖6　濕度隨時(shí)間的變化曲線圖

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于Avalon總線SHT11溫濕度傳感器自定義IP核的開(kāi)發(fā)流程,利用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)硬件邏輯，并且基于NiosII嵌入式處理器構(gòu)建了一個(gè)用戶定制的嵌入式系統(tǒng)。在SOPC中，設(shè)計(jì)人員可以靈活添加IP核，減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，避免重復(fù)工作。