基于Avalon總線SHT11溫濕度傳感器自定義IP核的開發(fā)流程

　　2.2　接口模塊的設(shè)計(jì)

　　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(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線和SHT11相連，根據(jù)時(shí)鐘的時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)鐘

　　n_rest,//系統(tǒng)復(fù)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(shí)鐘

　　addr，//Avalon地址總線

　　SCK,//時(shí)鐘線輸出

　　DATA,//數(shù)據(jù)輸入輸出(雙向)

　　);

　　2.3　行為模塊的實(shí)現(xiàn)

　　行為模塊實(shí)現(xiàn)的是SHT11的功能。該部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，實(shí)現(xiàn)對SHT11的控制。設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)驅(qū)動(dòng)控制的規(guī)范以及時(shí)序的要求來編寫。設(shè)計(jì)的過程中，信號的控制較為復(fù)雜，但在時(shí)序邏輯中，這又十分重要?？梢栽O(shè)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(dòng)規(guī)范，不同的命令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。傳輸開始時(shí)，應(yīng)該發(fā)出啟動(dòng)信號。啟動(dòng)信號包括時(shí)鐘線為高，數(shù)據(jù)線由高變低，并在下一個(gè)時(shí)鐘線為高的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)線變高。當(dāng)啟動(dòng)信號開始后，輸入相應(yīng)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(shí)間后，當(dāng)數(shù)據(jù)線由高拉低后開始信號的傳輸。系統(tǒng)通過確認(rèn)數(shù)據(jù)線上的ACK來確定每個(gè)字節(jié)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸完畢，進(jìn)行CRC校驗(yàn)。校驗(yàn)完畢后，ACK為高，結(jié)束傳輸。

　　在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用嵌套狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)邏輯。根據(jù)驅(qū)動(dòng)控制器的讀寫命令及讀寫時(shí)序，采取不同狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。輸入命令之后，根據(jù)不同的讀寫請求，進(jìn)入不同的狀態(tài)機(jī)。

　　圖2　狀態(tài)機(jī)

　　通過rd和wr以及地址addr控制數(shù)據(jù)線的讀寫。當(dāng)addr=1wr，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(dāng)addr=0wr，進(jìn)入狀態(tài)機(jī);當(dāng)addr=2 amp;rd，從數(shù)據(jù)線讀取數(shù)據(jù)data_o。

　　設(shè)內(nèi)部寄存器command，根據(jù)不同的命令，進(jìn)入不同的狀態(tài)機(jī)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(dāng)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(dāng)接收到ACK信號時(shí)，再根據(jù)相應(yīng)的命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，需要經(jīng)行CRC校驗(yàn)。圖3是仿真時(shí)序圖，實(shí)現(xiàn)向寄存器寫數(shù)據(jù)的功能。

　　2.4　軟件設(shè)計(jì)

　　該部分可以直接在SOPC Builder 中添加設(shè)計(jì)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(shè)置好相關(guān)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(shí)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(dòng)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(jìn)行讀寫。Avalon總線在wr和rd的控制下進(jìn)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(huì)調(diào)節(jié)相應(yīng)的外圍設(shè)備，來保持最佳環(huán)境。在大棚中，在測試節(jié)點(diǎn)上，SHT11監(jiān)測實(shí)時(shí)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(dá)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(shí)間的變化曲線圖　 圖6　濕度隨時(shí)間的變化曲線圖

　　結(jié)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(jī)設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)硬件邏輯，并且基于NiosII嵌入式處理器構(gòu)建了一個(gè)用戶定制的嵌入式系統(tǒng)。在SOPC中，設(shè)計(jì)人員可以靈活添加IP核，減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，避免重復(fù)工作。