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)計了一個浮點運算器和n個Comparray比較器，并使用VHDL語言在QuartusⅡ6．0中進(jìn)行設(shè)計與仿真。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個模塊：一個主要由用于環(huán)境因子采集的各類傳感器組成；另一個模塊主要由各種執(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)的一個顯著的特點是具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，因此很容易實現(xiàn)溫室的群控和網(wǎng)絡(luò)化。其缺點是：一方面是成本較高，因為工業(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)致整個系統(tǒng)運行遭到破壞。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)的布線時由于多入多出結(jié)構(gòu)的特點，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)行信號的輸入、輸出，自動化程度比較低。
    (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控制裝置。這種裝置的主要特點就是將傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等融為一體。運算能力方面能夠進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運算和算術(shù)運算。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。缺點是不能獨立進(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，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
    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)長的一段時間內(nèi)，這個勢頭仍然會持續(xù)下去。因為這是由嵌入式系統(tǒng)和通用計算機(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，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單獨設(shè)置了一個8段的流水FLOAT(浮點型運算器)、一個ALU(定點運算器)、一個PcCount(程序計算器)、一個InstrReg(指令寄存器)一個Shift(移位運算器)、一個ComP(單比較器)、一個Compn(比較器組、n為可擴(kuò)充)、一個Controller(控制單元)、一個AddrReg(地址寄存器)和八個．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)計的一個浮點運算器和n個Comparray比較器。一方面由于本智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的一個很重要的功能就是硬件實現(xiàn)智能控制方法，同時運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)通常是浮點數(shù)，所以本文在CPU的運算單元中增加了單獨的浮點運算器；另一方面因為在智能溫室測控系統(tǒng)中要隨時對溫度、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)省了時間。
2．2 比較寄存器組的設(shè)計
    Comparray比較寄存器組是專門針對于智能溫室測控系統(tǒng)設(shè)計的。在智能溫室測控系統(tǒng)中要隨時對溫度、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)中放置了多個比較器，主要是為了方便比較，因此會把經(jīng)過時間測試或?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)約了時間。比較寄存器組的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    在這個比較器組中只列了3個比較器，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個值作為示例。Comparray就相當(dāng)與一個選擇器，來分別選擇比較寄存器組中的寄存器，這里設(shè)置了3個比較寄存器，當(dāng)然也可根據(jù)需要進(jìn)行增減。

3 浮點運算器的設(shè)計與仿真
    本專用CPU設(shè)置浮點運算器的目的是要將智能控制算法在CPU內(nèi)集成。而此浮點單元在進(jìn)行復(fù)雜的算術(shù)邏輯運算時，主要設(shè)置了狀態(tài)機(jī)，通過狀態(tài)機(jī)對浮點運算單元的各個子模塊進(jìn)行調(diào)用，從而實現(xiàn)運算。本浮點運算單元的子模塊主要有：加減法運算器、乘法運算器和除法運算器。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)情況啟動各個運算子模塊使其進(jìn)入運算狀態(tài)，當(dāng)運算結(jié)束后總控狀態(tài)機(jī)會收到運算結(jié)束的反饋信號，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算。下面對各個子模塊進(jìn)行分別設(shè)計：
3．1 加減法器的設(shè)計與仿真
    浮點加減法運算模塊電路原理如圖3所示。主要由6個模塊構(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 浮點乘法器的設(shè)計與仿真
    浮點數(shù)乘法器的基本思想是符號與數(shù)值分開處理，2個操作數(shù)符號的異或為結(jié)果的符號，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
    如果兩個操作數(shù)中只要有一個操作數(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)運算結(jié)果符號位判斷
    運算結(jié)果符號位主要是由兩個操作數(shù)的符號決定，而其實現(xiàn)主要是通過一個異或門電路得到，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。

    浮點乘法運算的功能仿真如圖5所示。

3．3 浮點除法器的設(shè)計
    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，在CPU中設(shè)計了可擴(kuò)充的環(huán)境值比較器組。用來對采集的單個環(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)的時間，也提高了溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的系統(tǒng)效率；單獨設(shè)置了浮點運算器使得此專用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)專家知識的功能。