主頁(yè)（http://www.130131.com）：基于NIOSⅡ處理器的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引 言
    在現(xiàn)代家居環(huán)境中，隨著照明、智能電器、安防等設(shè)備的日益增多，電氣安裝、控制線路也日趨復(fù)雜。在滿足多功能要求的同時(shí)，安裝簡(jiǎn)單、良好的擴(kuò)展性和低廉的運(yùn)行成本，成為現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的必然要求。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大和網(wǎng)絡(luò)的普遍應(yīng)用，人們對(duì)各種智能化產(chǎn)品的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，家居智能化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化和系統(tǒng)化設(shè)計(jì)以其安全、舒適、便捷的服務(wù)而受到消費(fèi)者的青睞。因此，智能家居控制系統(tǒng)有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

    與其他同級(jí)別的CPU，例如ARM、MIPS和POWER-PC等處理器相比NIOSⅡ處理器有其明顯的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)；能夠隨著設(shè)計(jì)者的需要自由定制，并且SoPC技術(shù)將處理器、存儲(chǔ)器、I／O口等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成在一個(gè)PLD器件上，構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并且很好地利用IP復(fù)用技術(shù)，在SoPC Builder開(kāi)發(fā)工具中包含NIOSⅡ處理器以及其他一些常用外設(shè)IP模塊，可以很方便地將處理器、存儲(chǔ)器和其他外設(shè)模塊連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，具有極大的應(yīng)用靈活性，并且對(duì)于系統(tǒng)升級(jí)來(lái)說(shuō)也是相當(dāng)方便的。

    本文設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)采用基于NIOSⅡ的SoPC技術(shù)，結(jié)合NIOSⅡ軟核處理器和CycloneⅡ開(kāi)發(fā)套件實(shí)現(xiàn)。整個(gè)硬件系統(tǒng)包括核心的FPGA芯片，外部擴(kuò)展的SDRAM，F(xiàn)LASH、各種輸入／輸出電路以及SMSC公司的LAN91C111以太網(wǎng)接口芯片等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    對(duì)于一個(gè)智能家居控制系統(tǒng)，需要滿足照明燈光控制、智能家電、家電電源的本地或遠(yuǎn)程控制及安防監(jiān)測(cè)控制等要求，本系統(tǒng)將通過(guò)FPGA、NIOSⅡ處理器、以太網(wǎng)以及擴(kuò)展的外部電路實(shí)現(xiàn)對(duì)于家電環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。

    設(shè)計(jì)首先在FPGA上搭建主要的系統(tǒng)架構(gòu)，然后在FPGA外圍搭建系統(tǒng)擴(kuò)展電路，包括SDRAM，F(xiàn)LASH以太網(wǎng)接口電路，其次利用Visual Basic編寫(xiě)桌面控制軟件通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)電路的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，可以通過(guò)系統(tǒng)的輸入按鈕向遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送信息，通過(guò)桌面軟件接收信息并顯示，實(shí)現(xiàn)兩端的消息通訊。由于系統(tǒng)利用以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理，將智能家居控制系統(tǒng)和目前功能日益強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)以及廣泛應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合在一起，具有更強(qiáng)大的功能性以及使用的方便性。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    Altera的NIOSⅡ處理器設(shè)計(jì)突出優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在他的靈活性和可裁減性上，系統(tǒng)提供了大量IP，設(shè)計(jì)者可以任意對(duì)IP進(jìn)行選擇，同時(shí)，用戶也可以根據(jù)需要定制自己的IP，實(shí)現(xiàn)自己所需要的功能。圖1表示本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中CycloneⅡ芯片的內(nèi)部配置情況以及與外圍設(shè)備的連接情況。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要使用了如下的Altera IP，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置：
(1)NiosⅡProcessor：該IP是系統(tǒng)處理器模塊，作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的控制處理核心；

(2)FLASH Memory(CFI)：該IP是外部存儲(chǔ)器FLASH控制接口模塊，完成對(duì)FLASH的時(shí)序控制；

(3)DDR SDRAM Controller：該IP是外部存儲(chǔ)器DDR SDRAM的接口控制模塊，完成對(duì)DDR SDRAM的時(shí)序控制；

(4)JTAG UART：該IP完成在主機(jī)PC和SoPCBuilder系統(tǒng)之間的字符流傳輸，進(jìn)行程序的下載，以及硬件軟件的在線調(diào)試；

(5)LAN91C111 Interface：該IP是外部以太網(wǎng)芯片接口模塊，完成NIOSⅡ系統(tǒng)對(duì)外部LAN91C111網(wǎng)卡芯片的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸；

(6)Character LCD：該IP是外部LCD的接口控制模塊，完成對(duì)外部液晶模塊顯示的控制；

(7)PIO：該IP是通用I／O控制模塊，用來(lái)控制外部的輸入輸出；

(8)Interval timer：該IP是系統(tǒng)的定時(shí)器模塊，完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)間的處理。

   在選定系統(tǒng)需要的IP資源后，就可以通過(guò)SoPCBuilder很快地在FPGA上構(gòu)建一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。首先，定制軟核處理器，設(shè)定為standard標(biāo)準(zhǔn)型NIOSⅡCPU，4 kB指令緩沖器，支持JTAG下載調(diào)試；16 M FLASH用來(lái)存放用戶數(shù)據(jù)和程序；16 M DDR SDRAM用來(lái)作為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)程序的存儲(chǔ)空間；定制Avalon三態(tài)總線架構(gòu)，將LAN91C111設(shè)置為Avalon總線的從器件，通過(guò)Avalon總線與NIOSⅡ系統(tǒng)相連，并定制LAN91C111的驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)于該芯片的控制。

    搭建完系統(tǒng)的模塊后，需要為各個(gè)模塊設(shè)定中斷號(hào)，讓CPU在運(yùn)行過(guò)程中判斷內(nèi)部和外部各種中斷的優(yōu)先級(jí)，其中系統(tǒng)定時(shí)器的中斷優(yōu)先級(jí)最高，然后各個(gè)模塊的中斷優(yōu)先級(jí)從高到低依次為JTAG模塊、外部按鈕輸入、EPCS配置芯片、LAN91C111芯片。同時(shí)需要將FLASH存儲(chǔ)器的基地址設(shè)為0x000000，以便使系統(tǒng)每次都能從FLASH中開(kāi)始執(zhí)行指令。這樣，在使用SoPC Builder中的組件編輯器將用戶外設(shè)和系統(tǒng)連接起來(lái)后，就可以運(yùn)行SoPC Builder生成系統(tǒng)的硬件描述語(yǔ)言文件，編寫(xiě)相關(guān)的Verilog HDL模塊，將系統(tǒng)模塊和外部器件連接，然后通過(guò)QuartusⅡ軟件編譯整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

4 系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)
    在智能家居控制系統(tǒng)中，需要完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和控制控能，因此在軟件設(shè)計(jì)中，需要完成2個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，建立客戶端和本系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接；響應(yīng)以太網(wǎng)消息數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的電路控制。

    在設(shè)計(jì)中使用LwIP(Lightweight TCP／IP Stack)組件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制功能，同時(shí)需要移植操作系統(tǒng)支持LwIP組件的使用，在系統(tǒng)中選擇移植μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，在軟件的設(shè)計(jì)中添加上RTOS和LwIP這2個(gè)組件，就能很方便地實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與控制功能。

    在NiosⅡIDE中建立新的工程后，首先在“SystemLibrary Properties”(系統(tǒng)庫(kù)屬性)中選擇RTOS Options進(jìn)行操作系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。在μC／OS-Ⅱ中除了用戶創(chuàng)建的任務(wù)外，系統(tǒng)還自帶2個(gè)必須的任務(wù)，分別為統(tǒng)計(jì)任務(wù)和空閑任務(wù)，用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的管理，所以考慮以后系統(tǒng)升級(jí)的方便，在對(duì)系統(tǒng)最大任務(wù)數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，最大任務(wù)數(shù)設(shè)為10。同時(shí)最低優(yōu)先級(jí)設(shè)為20，在這里數(shù)字越高代表任務(wù)優(yōu)先級(jí)越低，這個(gè)參數(shù)不受限于系統(tǒng)所帶的任務(wù)數(shù)。然后，在系統(tǒng)庫(kù)屬性中選擇Software Components進(jìn)行LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的參數(shù)設(shè)置，在系統(tǒng)中使用的協(xié)議有UDP和TCP協(xié)議，并使用DHCP服務(wù)完成對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)分配IP的功能，其他參數(shù)保存為默認(rèn)值。對(duì)μC／OS-Ⅱ和LwIP設(shè)置完成后，就是編寫(xiě)系統(tǒng)的相關(guān)功能任務(wù)。
(中國(guó)集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮)