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）。可編程片上系統(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、存儲器、I／O口等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一個可編程器件上，構(gòu)成一個可編程的片上系統(tǒng)。SOPC結(jié)合了SOC和CPLD、FPGA各自的優(yōu)點，具備有以下基本特征：至少包含一個嵌入式處理器內(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、國防、科研、航天和科學(xué)實驗中的重要參數(shù)，而溫濕度自動控制系統(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)實驗等許多領(lǐng)域。目前國內(nèi)市場上大多數(shù)的溫濕度自動控制系統(tǒng)是基于單片機或ARM系列芯片來設(shè)計的。對比這兩種設(shè)計，基于SOPC的溫濕度自動控制系統(tǒng)的集成度更高也更加輕便；比基于單片機的溫濕度自動控制系統(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控制設(shè)計方式更方便，設(shè)計周期更短．成本價更有優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

溫濕度自動控制系統(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機組成的，作為上位機；第二層是由Nios系統(tǒng)和外圍設(shè)備組成的，作為下位機，上位機與下位機之間采用RS485總線進行通信。

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

溫濕度自動控制系統(tǒng)的工作過程是：首先通過溫濕度傳感器進行信息采集；其次是NIOS系統(tǒng)把采集到的信息通過UART接口傳送至上位機．上位機對采集到的信息進行分析處理；最后，NIOS系統(tǒng)根據(jù)上位機的分析處理結(jié)果對終端控制設(shè)備輸出決策的指令，如果溫度或濕度超限，則顯示并報警，同時驅(qū)動風(fēng)扇或加熱器等設(shè)備。該控制系統(tǒng)在下位機還增加了鍵盤輸入，這樣下位機可以單獨使用，從而使下位機本身成為一個獨立的控制系統(tǒng)。我們下面重點介紹下位機的設(shè)計過程。

2 系統(tǒng)下位機的硬件設(shè)計

SOPC系統(tǒng)的硬件開發(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)合進行設(shè)計輸入；然后進行編譯（包括分析綜合和布局布線）；最后通過下載電纜將硬件配置數(shù)據(jù)下載到FPGA中。

本系統(tǒng)的下位機硬件設(shè)計采用ALTERA公司的SOPC開發(fā)工具（即SOPC Builder）進行設(shè)計。ALTERA公司提供的SOPC Builder工具可以方便設(shè)計個性化的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)計者可以很方便地把處理器，存儲器、其它外設(shè)模塊和必要的PIO接口連接起來開發(fā)成一個完整的系統(tǒng)。在SOPC Builder。圖形用戶界面下，設(shè)計者還可以管理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)計之后，系統(tǒng)啟動生成程序，就會生成大量的輸出文件，包括HDL邏輯文件、程序的頭文件和庫文件等。這些文件都包含在NiosII IDE開發(fā)環(huán)境中，在此軟件開發(fā)平臺上就可以進行NiosII的軟件開發(fā)了。

2．1 NiosⅡ軟核處理器

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行了優(yōu)化設(shè)計，并配備有功能完善的開發(fā)套件。包括C／C++編譯器、集成開發(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的運行控制（運行、停止、單步、存儲器等）、硬件斷點、數(shù)據(jù)觸發(fā)、片內(nèi)和片外跟蹤、嵌入式邏輯分析儀。這些強大的工具可以在開發(fā)階段使用，調(diào)試通過后便可以去掉，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，通過與ALTERA提供的超過60種IP核（如UART、時鐘、DMA、SDRAM、并行IPO等）結(jié)合使用，設(shè)計師可以方便地針對特定的應(yīng)用創(chuàng)建一個在處理器、外設(shè)、存儲器和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)計的簡單總線結(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通信的時序。AVALON總線的基本傳輸模式是在一個主外設(shè)和一個從外設(shè)之間進行單個字節(jié)、半字或字的傳輸。當(dāng)一次傳輸結(jié)束后，不論新的傳輸過程是否還是在同樣的外設(shè)之間進行，AVALON總線總是可以在下一個時鐘周期立即開始另一次傳輸。AVALON總線支持多個總線主外設(shè)，允許單個總線事務(wù)中在外設(shè)之間傳輸多個數(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開發(fā)工具中，用戶只要將需要的外圍組件與CPU通過AVALON總線集成在FPGA中，就可以完成整個下位機硬件設(shè)計，從而縮短了設(shè)計周期。

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)字式相對濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨特的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。

3 系統(tǒng)下位機的軟件設(shè)計

系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計是在NIOS IDE開發(fā)環(huán)境中進行的，在SOPC Builder生成的軟件基礎(chǔ)上，利用C／C++語言編寫源程序，然后經(jīng)過編譯、連接、調(diào)試生成可執(zhí)行文件．最后通過下載電纜對可執(zhí)行程序進行調(diào)試和運行。系統(tǒng)下位機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)出報警信號；若T《5℃，則程序轉(zhuǎn)向SW（升溫處理程序）。并發(fā)出報警信號；若30℃》T》5℃，則程序轉(zhuǎn)向顯示子程序并返回主程序．濕度控制過程和溫度類似。

結(jié)論

本系統(tǒng)利用SOPC技術(shù)，將信號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的強大處理能力，方便地實現(xiàn)了溫濕度自動控制的功能。該系統(tǒng)的實現(xiàn)功能還是相對比較簡單的，由于FPGA內(nèi)部還有大量的邏輯資源可以利用．因此可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。

實際結(jié)果表明：基于SOPC的溫濕度自動控制系統(tǒng)運行正常、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下對系統(tǒng)進行軟硬件升級，大大延長了系統(tǒng)的壽命周期，這一點也是相對于其它控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，采用SOPC方案進行系統(tǒng)設(shè)計，正符合當(dāng)今科技的發(fā)展方向。