引言

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

SOPC的關鍵技術之一就是IP核，也就是知識產(chǎn)權核。所謂的IP核就是指將一些比較復雜的功能模塊，如音頻編/解碼、SDRAM等，設計成可以修改參數(shù)的模塊，可以直接調(diào)用。實際的SOPC設計過程，用戶常常有特殊的需求，而EDA廠商未提供該IP核。所以，在設計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Avalon交換架構或者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公司開發(fā)的一種專用的用于連接SOPC系統(tǒng)組件及從組件的內(nèi)部連線技術，它是由SOPC Builder自動生成，是一種理想的用于系統(tǒng)處理器和外設之間的內(nèi)連總線。一般使用的是Avalon從端口。一個典型從端口包含的信號如表1所列。

表1　Avalon從端口信號

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

2　SHT11自定義IP核的開發(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。它是基于先進的CMOSens數(shù)字傳感技術，具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。全量程標定，兩線數(shù)字接口，大大縮短研發(fā)時間，簡化外圍電路并降低費用。此外，具有體積小、響應迅速、能耗低、可浸沒、抗干擾能力強、溫濕一體的特點，兼有露點測量，性價比高，使該產(chǎn)品能夠適于多種場合的應用。SHT11的高級功能是通過狀態(tài)寄存器來實現(xiàn)的[3]。

圖1為系統(tǒng)結構圖。由圖可知，系統(tǒng)主要分為接口模塊和行為模塊，行為模塊實現(xiàn)芯片的驅(qū)動邏輯功能，接口模塊通過內(nèi)部總線和Avalon總線相連，實現(xiàn)了對行為模塊的控制。利用SOPC Builder建立系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)線和時鐘線來控制SHT11。其中要加上10 kΩ的上拉電阻。

圖1　系統(tǒng)結構圖

采用自定義IP核的方式，也就是把SHT11看成外部存儲器或者是I/O設備，將其作為從設備連接到Nios II嵌入式處理器的Avalon總線上，系統(tǒng)用訪問I/O設備或者是讀寫寄存器的方式對其進行控制。所以，編寫自定義IP核的時候，根據(jù)實體SHT11的時序要求，編寫驅(qū)動、接口等，靈活地控制并實現(xiàn)復雜的時序。其中可以按照自己的需求靈活地定義狀態(tài)、標志位、控制位等。設計完成后，獨立添加到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)省處理器的開銷，充分發(fā)揮了處理器的能力[4?6]。

2.2　接口模塊的設計

根據(jù)SHT11的描述，確定該模塊與Avalon所需要的接口信號。通過使用較少的信號來處理讀寫。系統(tǒng)通過時鐘線、數(shù)據(jù)線和SHT11相連，根據(jù)時鐘的時序向數(shù)據(jù)線寫命令，SHT11通過數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)。設計模塊的輸入信號為：clk，sysclk, n_rest， data_i，data_o，wr，rd, addr。輸出信號為：SCK,DATA(DATA是雙向數(shù)據(jù)線)。端口信號的部分說明如下：

moduleSHT11(

clk,//系統(tǒng)時鐘

n_rest,//系統(tǒng)復位

data_i,//Avalon寫數(shù)據(jù)總線

data_o,//Avalon讀數(shù)據(jù)總線

wr,//Avalon寫請求

rd,//Avalon讀請求

sysclk,//系統(tǒng)時鐘

addr，//Avalon地址總線

SCK,//時鐘線輸出

DATA,//數(shù)據(jù)輸入輸出(雙向)

);

2.3　行為模塊的實現(xiàn)

行為模塊實現(xiàn)的是SHT11的功能。該部分是整個設計的核心，實現(xiàn)對SHT11的控制。設計時必須根據(jù)驅(qū)動控制的規(guī)范以及時序的要求來編寫。設計的過程中，信號的控制較為復雜，但在時序邏輯中，這又十分重要。可以設定一系列的寄存器，作為訪問硬件的通道[7?8]。

根據(jù)其驅(qū)動規(guī)范，不同的命令實現(xiàn)相應的功能。傳輸開始時，應該發(fā)出啟動信號。啟動信號包括時鐘線為高，數(shù)據(jù)線由高變低，并在下一個時鐘線為高的時候?qū)?shù)據(jù)線變高。當啟動信號開始后，輸入相應指令(包含3位地址和5位命令)，通過數(shù)據(jù)線，確定接收到ACK信號后，表示SHT11已經(jīng)正確接收命令。待一定的時間后，當數(shù)據(jù)線由高拉低后開始信號的傳輸。系統(tǒng)通過確認數(shù)據(jù)線上的ACK來確定每個字節(jié)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸完畢，進行CRC校驗。校驗完畢后，ACK為高，結束傳輸。

在進行設計時，采用嵌套狀態(tài)機來實現(xiàn)驅(qū)動邏輯。根據(jù)驅(qū)動控制器的讀寫命令及讀寫時序，采取不同狀態(tài)機來實現(xiàn)，如圖2所示。輸入命令之后，根據(jù)不同的讀寫請求，進入不同的狀態(tài)機。

圖2　狀態(tài)機

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

設內(nèi)部寄存器command，根據(jù)不同的命令，進入不同的狀態(tài)機循環(huán)：若command為01，通過數(shù)據(jù)線向寄存器寫數(shù)據(jù);若command為10，通過數(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)。當傳送8位數(shù)據(jù)后，需判斷雙向數(shù)據(jù)線DATA的ACK信號的高低，當接收到ACK信號時，再根據(jù)相應的命令，進行數(shù)據(jù)的傳輸。當數(shù)據(jù)傳輸完畢后，需要經(jīng)行CRC校驗。圖3是仿真時序圖，實現(xiàn)向寄存器寫數(shù)據(jù)的功能。

2.4　軟件設計

該部分可以直接在SOPC Builder 中添加設計好的IP核和Verilog HDL 語言描述的文件,并根據(jù)Avalon 總線傳輸規(guī)范設置好相關的信號線，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　時序仿真圖

圖4　Avalon接口信號

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

3　測試

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的溫度、濕度等。若有變化，其將會調(diào)節(jié)相應的外圍設備，來保持最佳環(huán)境。在大棚中，在測試節(jié)點上，SHT11監(jiān)測實時的溫度和濕度，將數(shù)據(jù)送到nRF24L01，數(shù)據(jù)通過基站最終到達終端虛擬控制中心。其所獲得的數(shù)據(jù)變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5　溫度隨時間的變化曲線圖　圖6　濕度隨時間的變化曲線圖

結語

本文介紹了基于Avalon總線SHT11溫濕度傳感器自定義IP核的開發(fā)流程,利用有限狀態(tài)機設計了驅(qū)動硬件邏輯，并且基于NiosII嵌入式處理器構建了一個用戶定制的嵌入式系統(tǒng)。在SOPC中，設計人員可以靈活添加IP核，減輕設計負擔，避免重復工作。