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)。

　　在系統(tǒng)中主要設(shè)計(jì)了4個(gè)自定義任務(wù)，分別為：

　　(1)系統(tǒng)初始化管理任務(wù)：用來(lái)初始化操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和創(chuàng)建其他任務(wù)。該任務(wù)在初始化完成后自動(dòng)刪除。

　　(2)網(wǎng)絡(luò)DHCP服務(wù)管理任務(wù)：主要用來(lái)檢查DHCP服務(wù)是否成功，即系統(tǒng)是否成功分配到IP。該任務(wù)在完成后也自動(dòng)刪除。任務(wù)流程圖如圖2所示：

　　(3)遠(yuǎn)程控制管理任務(wù)：主要用來(lái)在服務(wù)器和客戶端之間建立Socket連接，在服務(wù)器端接收從客戶端發(fā)送來(lái)的控制命令，并判斷這些命令來(lái)進(jìn)行相應(yīng)操作。任務(wù)流程圖如圖3所示：

　　(4)服務(wù)器端中斷管理任務(wù)：主要在服務(wù)器端處理用戶產(chǎn)生的各種中斷，然后向客戶端發(fā)送相應(yīng)命令執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。任務(wù)流程圖如圖4所示。

5 遠(yuǎn)程終端的桌面軟件設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)都完成后，為了進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，以及提高使用的方便性，需要在客戶端編寫(xiě)一個(gè)專用的界面軟件，代替客戶端命令行的操作，遠(yuǎn)程用戶界面是利用Visual Basic 6.0來(lái)完成開(kāi)發(fā)。Windows操作系統(tǒng)為Internet提供Windows Sockets(或Winsock)等標(biāo)準(zhǔn)接口，而VB則利用ActiveX控件Winsock為Internet提供標(biāo)準(zhǔn)接口，所以使用VB的Winsock控件來(lái)完成本軟件開(kāi)發(fā)非常方便。

　　設(shè)計(jì)的軟件界面如圖5所示：

　　從軟件界面可以看到，在系統(tǒng)使用中通過(guò)“啟動(dòng)連接”按鈕建立本地計(jì)算機(jī)和智能家居控制系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)連接。在“信息接收”對(duì)話框中可以接收并顯示從智能家居控制系統(tǒng)端發(fā)送過(guò)來(lái)的消息，在“命令發(fā)送”欄中可以選擇不同的服務(wù)通過(guò)智能家居控制系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的操作。

6 系統(tǒng)性能分析和功能驗(yàn)證

　　利用QuartusⅡ軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析后可以知道，采用CycloneⅡEP2C35F672C6型號(hào)的FPGA設(shè)計(jì)的系統(tǒng)占用整個(gè)FPGA的資源是比較少的，使用3 658個(gè)邏輯單元，占總資源的11％，使用了52 224 b存儲(chǔ)單元，占總存儲(chǔ)量的10％，顯示了FPGA的強(qiáng)大功能，利用剩余的資源可以進(jìn)行后續(xù)高級(jí)功能的擴(kuò)展。

　　在系統(tǒng)功能驗(yàn)證中，設(shè)計(jì)2組外圍電路來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的功能。設(shè)計(jì)外部發(fā)光二極管LED電路驗(yàn)證“開(kāi)燈1”按鈕功能，模擬系統(tǒng)對(duì)燈具的控制作用；設(shè)計(jì)外部紅外信號(hào)發(fā)射與接收電路來(lái)(包括1對(duì)紅外發(fā)光二極管和紅外接收二極管電路)驗(yàn)證“開(kāi)家電1”按鈕功能，模擬系統(tǒng)對(duì)紅外家電的控制作用。在實(shí)際測(cè)試中，電路工作良好，利用FPGA引腳輸出3.3 V電壓作為外部電路的電源。當(dāng)通過(guò)本地的桌面軟件建立本地計(jì)算機(jī)和智能家居控制系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)連接后，可以利用軟件上的操作按鈕方便地遠(yuǎn)程控制LED電路和紅外發(fā)射接收電路，同時(shí)可以利用智能家居控制系統(tǒng)的輸入按鈕向客戶端發(fā)送消息，并顯示在客戶端軟件上，實(shí)現(xiàn)兩端的相互通訊。

7 結(jié) 語(yǔ)

　　本文提出一種基于NIOSⅡ處理器的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在FPGA上搭建系統(tǒng)硬件架構(gòu)，并擴(kuò)展外部的系統(tǒng)電路和測(cè)試電路，利用LwIP組件和μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的控制處理，最后通過(guò)自行設(shè)計(jì)的桌面軟件，成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)外部電路的遠(yuǎn)程控制以及服務(wù)器和客戶端間的消息通訊。系統(tǒng)用SoPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)將微處理器、外部存儲(chǔ)器控制接口、網(wǎng)絡(luò)芯片控制接口、按鈕和LCD等輸入輸出接口集成在一顆芯片上的設(shè)計(jì)思想。SoPC Builder在硬件和軟件上均為設(shè)計(jì)者提供較好的支持，NIOSⅡ IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供集成的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和操作系統(tǒng)移植，使得軟件開(kāi)發(fā)更加便利。