基于Avalon總線SHT11溫濕度傳感器自定義IP核開發流程

　　引言
　　
　　SOPC（System Ona Programmable hip,可編程芯片系統）就是在一個可編程芯片上實現一個電子系統的技術。SOPC是可編程邏輯器件技術和SoC（Systemon Chip）技術發展與融合的產物。
　　
　　SOPC的關鍵技術之一就是IP核，也就是知識產權核。所謂的IP核就是指將一些比較復雜的功能模塊，如音頻編/解碼、SDRAM等，設計成可以修改參數的模塊，可以直接調用。實際的SOPC設計過程，用戶常常有特殊的需求，而EDA廠商未提供該IP核。所以，在設計中添加用戶自定義組件顯得特別重要。
　　
　　1、Avalon總線
　　
　　SOPC組件通過Avalon交換架構或者Avalon總線連接在一起，SOPC系統的可定制特性要求Avalon總線也具備靈活的可定制特性。Avalon總線是一種協議較為簡單的同步總線，有其規范及傳輸模式。
　　
　　Avalon總線是由Altera公司開發的一種的用于連接SOPC系統組件及從組件的內部連線技術，它是由SOPC Builder自動生成，是一種理想的用于系統處理器和外設之間的內連總線。一般使用的是Avalon從端口。一個典型從端口包含的信號如表1所列。
　　　　
　　Avalon總線使用很少的邏輯資源支持數據總線復用、地址譯碼、產生等待周期和交換式總線傳輸。該總線為用戶提供非常友好的接口，屏蔽搭建系統的細節，減輕了系統搭建的工作量。
　　
　　2、SHT11自定義IP核的開發
　　
　　2.1SHT11溫濕度傳感器
　　
　　SHT11是瑞士Sensirion公司推出的SHTxx系列數字溫濕度傳感器。它是基于*的CMOSens數字傳感技術，具有*的可靠性和長期穩定性。全量程標定，兩線數字接口，大大縮短研發時間，簡化外圍電路并降低費用。此外，具有體積小、響應迅速、能耗低、可浸沒、抗*力強、溫濕一體的特點，兼有露點測量，性價比高，使該產品能夠適于多種場合的應用。SHT11的功能是通過狀態寄存器來實現的[3]。
　　
　　圖1為系統結構圖。由圖可知，系統主要分為接口模塊和行為模塊，行為模塊實現芯片的驅動邏輯功能，接口模塊通過內部總線和Avalon總線相連，實現了對行為模塊的控制。利用SOPCBuilder建立系統，通過數據線和時鐘線來控制SHT11。其中要加上10kΩ的上拉電阻。　　　　
　　采用自定義IP核的方式，也就是把SHT11看成外部存儲器或者是I/O設備，將其作為從設備連接到NiosII嵌入式處理器的Avalon總線上，系統用訪問I/O設備或者是讀寫寄存器的方式對其進行控制。所以，編寫自定義IP核的時候，根據實體SHT11的時序要求，編寫驅動、接口等，靈活地控制并實現復雜的時序。其中可以按照自己的需求靈活地定義狀態、標志位、控制位等。設計完成后，獨立添加到SOPCBuilder，用戶可以直接使用。該方法比單純利用PIO內核更加節省處理器的開銷，充分發揮了處理器的能力。
　　
　　2.2接口模塊的設計
　　
　　根據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。系統通過時鐘線、數據線和SHT11相連，根據時鐘的時序向數據線寫命令，SHT11通過數據線輸出數據。設計模塊的輸入信號為：clk，sysclk,n_rest，data_i，data_o，wr，rd,addr。輸出信號為：SCK,DATA（DATA是雙向數據線）。端口信號的部分說明如下：
　　
　　moduleSHT11（
　　
　　clk,//系統時鐘
　　
　　n_rest,//系統復位
　　
　　data_i,//Avalon寫數據總線
　　
　　data_o,//Avalon讀數據總線
　　
　　wr,//Avalon寫請求
　　
　　rd,//Avalon讀請求
　　
　　sysclk,//系統時鐘
　　
　　addr，//Avalon地址總線
　　
　　SCK,//時鐘線輸出
　　
　　DATA,//數據輸入輸出（雙向）
　　
　　）;
　　
　　2.3行為模塊的實現
　　
　　行為模塊實現的是SHT11的功能。該部分是整個設計的核心，實現對SHT11的控制。設計時必須根據驅動控制的規范以及時序的要求來編寫。設計的過程中，信號的控制較為復雜，但在時序邏輯中，這又十分重要。可以設定一系列的寄存器，作為訪問硬件的通道[78]。
　　
　　根據其驅動規范，不同的命令實現相應的功能。傳輸開始時，應該發出啟動信號。啟動信號包括時鐘線為高，數據線由高變低，并在下一個時鐘線為高的時候將數據線變高。當啟動信號開始后，輸入相應指令（包含3位地址和5位命令），通過數據線，確定接收到ACK信號后，表示SHT11已經正確接收命令。待一定的時間后，當數據線由高拉低后開始信號的傳輸。系統通過確認數據線上的ACK來確定每個字節的傳輸。數據傳輸完畢，進行CRC校驗。校驗完畢后，ACK為高，結束傳輸。
　　
　　在進行設計時，采用嵌套狀態機來實現驅動邏輯。根據驅動控制器的讀寫命令及讀寫時序，采取不同狀態機來實現，如圖2所示。輸入命令之后，根據不同的讀寫請求，進入不同的狀態機。　　　　
　　通過rd和wr以及地址addr控制數據線的讀寫。當addr=1&&wr，則向數據線寫數據（data_i），data_i的輸入格式是crc（1位）wr_data（16位）command（2位），當addr=0&&wr，進入狀態機;當addr=2&&rd，從數據線讀取數據data_o。
　　
　　設內部寄存器command，根據不同的命令，進入不同的狀態機循環：若command為01，通過數據線向寄存器寫數據;若command為10，通過數據線從寄存器讀數據;若command為其他，則讀取數據。當傳送8位數據后，需判斷雙向數據線DATA的ACK信號的高低，當接收到ACK信號時，再根據相應的命令，進行數據的傳輸。當數據傳輸完畢后，需要經行CRC校驗。圖3是仿真時序圖，實現向寄存器寫數據的功能。
　　
　　2.4軟件設計
　　
　　該部分可以直接在SOPCBuilder中添加設計好的IP核和VerilogHDL語言描述的文件,并根據Avalon總線傳輸規范設置好相關的信號線，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,建立內嵌系統，并編譯下載到FPGA器件中。　　　　　　
　　由于在NiosIIIDE環境下可直接編寫用戶程序,所以可以不用編寫驅動程序。在NiosIIIDE環境下,可直接調用函數IOWR（BASE,OFFSET,DATA）和IORD（BASE,OFFSET）對內部寄存器進行讀寫。Avalon總線在wr和rd的控制下進行讀寫。
　　
　　3、測試
　　
　　農業智能大棚（該花卉的適宜溫度是18℃，適宜濕度是58RH），也就是棚內維持在作物適宜生長的溫度、濕度等。若有變化，其將會調節相應的外圍設備，來保持*環境。在大棚中，在測試節點上，SHT11監測實時的溫度和濕度，將數據送到nRF24L01，數據通過基站zui終到達終端虛擬控制中心。其所獲得的數據變化曲線如圖5、圖6所示。　　　　
　　4、結語
　　
　　本文介紹了基于Avalon總線SHT11溫濕度傳感器自定義IP核的開發流程,利用有限狀態機設計了驅動硬件邏輯，并且基于NiosII嵌入式處理器構建了一個用戶定制的嵌入式系統。在SOPC中，設計人員可以靈活添加IP核，減輕設計負擔，避免重復工作。