摘 要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于SoPC技術(shù)的嵌入式智能家居控制器。簡單介紹智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，隨后對核心部分家居控制器的實(shí)現(xiàn)在硬件和軟件2方面進(jìn)行詳細(xì)論述，其中運(yùn)用NiosⅡ軟核處理器作為主控制器，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ?yàn)閼?yīng)用軟件運(yùn)行平臺，實(shí)現(xiàn)家電控制和安防報(bào)警功能以及小區(qū)內(nèi)管理等。系統(tǒng)采用的可編程片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法使其可以根據(jù)需求裁減或者擴(kuò)充功能，以滿足眾多層次的家居控制應(yīng)用需要。

關(guān)鍵詞：智能家居；SoPC；μC/OS-Ⅱ；FPGA

中圖分類號：TP332文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004373X(2008)2203603

Research of Smart Home Control System Based on SoPC

SUN Yuliang，WANG Shukun，ZHANG Chuansheng

(School of Information and Electric Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan，250101，China)

Abstract：Embedded smart home control system based on System on a Programmable Chip (SoPC) is designed and implemented.The structure of smart home control system is briefly introduced.Subsequently implementation of home control system′s core is detailed discussed in terms of hardware and software，using soft intellectual property processor as primary controller，real-time multitasks operating system μC/OS-Ⅱas running platform of application software，realizes the control of household appliances，security alarm functions as well as the district management.To meet the many levels of home control application needs，function of the system based on the design method of SoPC can be reduced and extended according to the requirement.

Keywords：smart home;SoPC;μC/OS-Ⅱ;FPGA

智能家居是近幾年產(chǎn)生并迅速崛起的一種新型家居住宅。“智能家居”(smart home)，又稱智能住宅，它利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)等，將家中的各種設(shè)備有機(jī)的連接到一起［1］。

SoPC（System on Programmable Chip）技術(shù)是Altera公司提出的一種靈活、高效的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案［2］。它的特點(diǎn)在于可編程性，即利用FPGA器件的可編程性來進(jìn)行SoC(System on Chip)設(shè)計(jì)。因此可以簡化采用傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的家居控制器，使得眾多的控制接口芯片在一片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)。并使其具有處理能力強(qiáng)、系統(tǒng)架構(gòu)清晰、網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)越等更多的優(yōu)勢。嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ?qū)儆谡枷仁蕉嗳蝿?wù)操作系統(tǒng)，可固化、可裁減、移植性好，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性［3］。它支持64個(gè)任務(wù)，具有信號量、消息郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程間通信機(jī)制，其已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。利用可編程SoPC技術(shù)和μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的良好選擇。本系統(tǒng)以Altera公司的DE2開發(fā)板為核心，其FPGA芯片采用CycloneⅡEP2C35。

1 智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能家居通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)總線和控制平臺，將家庭的信息家電系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、安防報(bào)警系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)等連成體。向上連至小區(qū)物業(yè)控制中心的綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控。向下通過家庭總線連接到家庭中各種不同的功能?？?，構(gòu)成家庭信息控制網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)家庭中所有相關(guān)信息點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和相關(guān)控制點(diǎn)的功能控制，并通過網(wǎng)絡(luò)接口與外部信息社會相連接。智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 智能家居控制器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

智能家居控制器的硬件由FPGA、存儲器和外圍模塊等3個(gè)部分構(gòu)成，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和完成人機(jī)對話的交互中心。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

家居控制器的工作原理是：現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到各自的數(shù)據(jù)，通過串口送給DE2開發(fā)板，系統(tǒng)硬件板卡對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行不同處理。對于房間環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)將交付給LCD顯示，同時(shí)和設(shè)定參數(shù)相比較，比較結(jié)果送出至各繼電器完成對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)。對于安防報(bào)警信息進(jìn)行匹配處理，看是否有報(bào)警事件需要報(bào)警輸出。對于智能水表、電表、熱表、天然氣表的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的封裝，形成各自的信息流放到網(wǎng)絡(luò)接口層，交付給網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。另一方面，當(dāng)對家庭內(nèi)電器需要控制時(shí)，通過控制器的鍵盤下達(dá)的控制信息來控制現(xiàn)場動作。同時(shí)，可以通過CGI頁面完成對控制器的遠(yuǎn)程控制。

2.1.1 SoPC定制NiosⅡ軟核處理器模塊

該設(shè)計(jì)中的FPGA芯片是采用的Altera公司的Cyclone ⅡEP2C35，它具有35 000個(gè)邏輯單元、672個(gè)引腳，提供用戶自定義I/O口475個(gè)。是一款性價(jià)比非常好的FPGA芯片。

FPGA內(nèi)部各模塊是利用Quartus Ⅱ開發(fā)軟件和其中集成的SoPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具設(shè)計(jì)的。SoPC Builder提供圖形化的配置界面，并備有一些常用接口控制模塊，可以直接加入到系統(tǒng)中。在SoPC Builder中加載CPU軟核和相應(yīng)的外圍接口以及與定義相應(yīng)的自定義指令，然后對設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯綜合，下載到FPGA，就可以方便地制作一個(gè)具有特定功能的嵌入式處理器［4］。設(shè)計(jì)中的CPU軟核采用Altera公司的32位RISC嵌入式處理器Nios Ⅱ。在設(shè)計(jì)中對FPGA進(jìn)行配置時(shí)，選用了Nios Ⅱ/S CPU、內(nèi)部定時(shí)器、JTAG異步串行接口、SDRAM控制器、FLASH存儲器接口、LCD接口、片內(nèi)存儲器和EPCS4串行配置器件控制器接口、RS 232接口、DM9000A接口等部件。Nios Ⅱ CPU和所有部件通過Avalon總線連接在一起，構(gòu)成基于Avalon總線的SoPC系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.1.2 存儲器和外圍模塊

存儲器模塊采用數(shù)據(jù)不易丟失的FLASH來存儲應(yīng)用程序及需要保存的數(shù)據(jù)參數(shù)，采用讀寫速度較高的SDRAM來給μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供運(yùn)行空間并緩存大量的中間處理數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的外圍模塊包括一個(gè)16×2的字符型液晶顯示屏LCD和一個(gè)16位獨(dú)立式非編碼鍵盤，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。另外，RS 232接口用來實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)各檢測單元與FPGA的通信。

2.2 DM9000A與處理器的接口設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)控制器芯片是采用臺灣Davicom公司生產(chǎn)的DM9000A芯片，支持10 MHz/100 MHz的傳輸速率，集成了介質(zhì)訪問控制子層(MAC)和物理層的功能，并且可以直接與大部分通用處理器的本地總線接口。它為嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速的以太網(wǎng)連接提供了良好的解決方案。

在設(shè)計(jì)DM9000A芯片控制模塊時(shí)，由于沒有相應(yīng)的IP核，于是在Altera公司的網(wǎng)站上下載DM9000A _IF.V文件，修改后在SoPC Builder中用“Create New Component”，將DM9000A接口模塊添加到系統(tǒng)中。DM9000A接口框圖如圖4所示。

3 智能家居控制器的軟件設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的移植

根據(jù)家居控制器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)必須滿足實(shí)時(shí)性和并發(fā)性的要求，以便更好地支持運(yùn)行時(shí)的多任務(wù)環(huán)境的調(diào)度，所以應(yīng)用軟件應(yīng)該基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。日前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)主要有VxWorks，Windows CE，μCLinux，μC/OS-Ⅱ等?？紤]到μC/OS-Ⅱ的規(guī)模較小、實(shí)時(shí)性和可靠性較高，NiosⅡ IDE開發(fā)環(huán)境對μC/OS-Ⅱ的良好支持，故操作系統(tǒng)選擇μC/OS-Ⅱ。它是一種占先式的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過為每個(gè)任務(wù)分配單獨(dú)的任務(wù)堆棧來保存任務(wù)工作環(huán)境，提供任務(wù)答理與調(diào)度、任務(wù)間的同步、互斥與通信、時(shí)間和中斷管理、內(nèi)存的動態(tài)分配等多種系統(tǒng)服務(wù)。

Altera公司提供實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ作為NiosⅡ開發(fā)系統(tǒng)的一部分。即在硬件系統(tǒng)創(chuàng)建完成以后，開始一個(gè)基于NiosⅡ處理器的MicroC/OS-Ⅱ軟件設(shè)計(jì)過程，使用IDE可以對所有的RTOS模塊進(jìn)行配置。具體可以通過單擊MicroC/OS-Ⅱ下每一個(gè)選項(xiàng)檢查所能選擇的選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，例如最大任務(wù)數(shù)、最低優(yōu)先級、消息郵箱等。

3.2 終端軟件的設(shè)計(jì)

終端軟件同樣在NiosⅡ集成開發(fā)環(huán)境下利用C語言開發(fā)。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，保證程序具有良好的可移植性和可采用性。智能家居控制器的軟件部分包括遠(yuǎn)程通信模塊、人機(jī)交互模塊、安防報(bào)警模塊、環(huán)境控制模塊和信息家電模塊。智能家居控制器的啟動和運(yùn)行過程是：當(dāng)系統(tǒng)上電后，家居控制器硬件初始化、操作系統(tǒng)初始化、LCD初始化、初始化系統(tǒng)圖形用戶界面、啟動操作系統(tǒng)、創(chuàng)建系統(tǒng)任務(wù)、進(jìn)入主系統(tǒng)任務(wù)(Main_Task任務(wù))、創(chuàng)建用戶程序，以中斷方式隨時(shí)響應(yīng)來自各模塊任務(wù)的響應(yīng)。每個(gè)任務(wù)均由以下3部分組成：應(yīng)用程序、任務(wù)堆棧以及任務(wù)控制塊。其中只有應(yīng)用程序被燒入ROM，而任務(wù)本身則被置于RAM，待系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)再建立，任務(wù)堆棧用以存儲CPU寄存器內(nèi)容。當(dāng)某任務(wù)由運(yùn)行態(tài)變?yōu)槠渌麪顟B(tài)時(shí)，CPU寄存器內(nèi)容壓入相應(yīng)任務(wù)堆棧，反之則將相應(yīng)任務(wù)堆棧內(nèi)容置于CPU寄存器。作為系統(tǒng)中定義的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，任務(wù)控制塊的內(nèi)容包括任務(wù)堆棧的地址、任務(wù)當(dāng)前狀態(tài)、任務(wù)優(yōu)先權(quán)等。操作系統(tǒng)通過查詢?nèi)蝿?wù)控制塊內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的管理。

3.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

DM9000A程序設(shè)計(jì)中采用中斷的方式收發(fā)數(shù)據(jù)，程序的編寫主要包括初始化、接收、發(fā)送、中斷處理這幾個(gè)部分。

在系統(tǒng)上電時(shí)，F(xiàn)PGA通過總線配置DM9000A內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)控制寄存器(NCR)、中斷寄存器(ISR)等，完成初始化。隨后，DM9000A進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài)。

在控制器平臺上，接收到的各傳感器數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)字下變頻、抽取濾波等解調(diào)處理后，形成連續(xù)的解調(diào)數(shù)據(jù)流，在FPGA內(nèi)通過FIFO和以太網(wǎng)接口部分進(jìn)行緩沖，當(dāng)解調(diào)數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定的數(shù)據(jù)幀長度時(shí)，F(xiàn)PGA利用寫操作寄存器MWCMD(REG_F8)將數(shù)據(jù)幀寫入DM9000A的TX緩存區(qū)中，然后再將數(shù)據(jù)幀長度寫入寄存器FCH和FDH，其中將高8位寫入寄存器FCH，低8位寫入寄存器FDH。隨后，F(xiàn)PGA將發(fā)送控制寄存器TCR(REG_02)的bit［1］置為高電平，DM9000A接到使能命令后將緩存的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)幀信息進(jìn)行MAC組幀，并發(fā)送出去。

DM9000A中的接收緩存區(qū)RX FIFO初始化后的起始地址為0C00H，每幀數(shù)據(jù)都有4字節(jié)長的首部，然后是有效數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)序列。首部4字節(jié)用于判斷是否有數(shù)據(jù)接收、接收的幀格式是否有效以及幀長度。在接收到新數(shù)據(jù)后，中斷寄存器ISR的PRS位將被置為0，F(xiàn)PGA開始讀取接收緩存區(qū)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文給出一種基于SoPC的遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。使用SoPC技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)周期短的特點(diǎn)，它能將多個(gè)外部模塊綜合設(shè)計(jì)到一片高密度的FPGA中，使設(shè)計(jì)更為小巧，成本更為低廉，也更易于系統(tǒng)的升級。雖然目前SoPC技術(shù)還處于推廣階段，但在不久的將來一定有更廣闊的應(yīng)用空間。

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作者簡介 孫玉亮 女，1982年出生，山東日照人，碩士研究生。研究方向?yàn)樽詣踊b置的集成化與智能化。

王樹昆 男，1956年出生，山東濟(jì)南人，山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，中國電子學(xué)會高級會員。研究方向?yàn)樽詣踊b置的集成化與智能化、嵌入式系統(tǒng)和智能建筑技術(shù)。

張傳升 男，1973年出生，山東濱洲人，山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院講師。研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑到y(tǒng)。