基于SOPC的温湿度自动控制系统

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。
本系统的下位机硬件设计采用ALTERA公司的SOPC开发工具(即SOPC Builder)进行设计。ALTERA公司提供的SOPC Builder工具可以方便设计个性化的NiosⅡ软核。裁剪掉不需要的外设以节省系统资源，增加需要的接口。利用SOPC Builder工具设计者可以很方便地把处理器，存储器、其它外设模块和必要的PIO接口连接起来开发成一个完整的系统。在SOPC Builder。图形用户界面下，设计者还可以管理IP模块．设置系统参数并选择可用的端口和外设。完成设计之后，系统启动生成程序，就会生成大量的输出文件，包括HDL逻辑文件、程序的头文件和库文件等。这些文件都包含在NiosII IDE开发环境中，在此软件开发平台上就可以进行NiosII的软件开发了。
2．1 NiosⅡ软核处理器