基于SOPC的温湿度自动控制系统

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  •  引言
        SOPC(System On a Programmable Chip)称为可编程片上系统,它是基于用可编程逻辑器件(FPGA或CPLD)的可重构的片上系统(SOC)。可编程片上系统(SOPC)是AL-TERA公司提出的一种灵活、高效的SOC解决方案。它将处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上,构成一个可编程的片上系统。SOPC结合了SOC和CPLD、FPGA各自的优点,具备有以下基本特征:至少包含一个嵌入式处理器内核;具有小容量片内高速RAM资源;丰富的IP核资源可供选择;足够的片上可编程逻辑资源;处理器调试接口和FPGA编程接口;包含部分可编程模拟电路;单芯片、低功耗、微封装。
        温湿度是工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天和科学实验中的重要参数,而温湿度自动控制系统广泛应用在工业生产、医药、农作物栽培和科学实验等许多领域。目前国内市场上大多数的温湿度自动控制系统是基于单片机或ARM系列芯片来设计的。对比这两种设计,基于SOPC的温湿度自动控制系统的集成度更高也更加轻便;比基于单片机的温湿度自动控制系统稳定度和精度更高,而比基于ARM系列芯片的温湿度自动控制设计方式更方便,设计周期更短.成本价更有优势。


    1 系统构成
        温湿度自动控制系统的总体框图如图1所示。该系统从结构上分为两层:第一层是由PC机组成的,作为上位机;第二层是由Nios系统和外围设备组成的,作为下位机,上位机与下位机之间采用RS485总线进行通信。

        下位机结构框图如图2所示.它是由Nios系统和执行机构及显示、输入、输出端口组成的。Nios系统由CPU(Nios)、片上RAM、定时器、总线、异步串口UART和通用PIO组成。其中.NIOS系统通过PIO与A/D转换器、键盘、LED显示器、执行机构等连接。

        温湿度自动控制系统的工作过程是:首先通过温湿度传感器进行信息采集;其次是NIOS系统把采集到的信息通过UART接口传送至上位机.上位机对采集到的信息进行分析处理;最后,NIOS系统根据上位机的分析处理结果对终端控制设备输出决策的指令,如果温度或湿度超限,则显示并报警,同时驱动风扇或加热器等设备。该控制系统在下位机还增加了键盘输入,这样下位机可以单独使用,从而使下位机本身成为一个独立的控制系统。我们下面重点介绍下位机的设计过程。


    2 系统下位机的硬件设计
        SOPC系统的硬件开发步骤如下:用SOPC Builder生成NiosⅡ嵌入式处理器;用QuartusⅡ将NiosⅡ嵌入式处理器和其他逻辑电路结合进行设计输入;然后进行编译(包括分析综合和布局布线);最后通过下载电缆将硬件配置数据下载到FPGA中。

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