邵黎陽(yáng) 黃海興 劉奇石

【摘要】本設(shè)計(jì)用Altera公司的嵌入式處理器作為智能控制軟核，并結(jié)合TC53i短信接收模塊，通過(guò)調(diào)制解調(diào)器命令語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制。在本設(shè)計(jì)中，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度進(jìn)行采集;手機(jī)可以和TC35i通信模塊實(shí)時(shí)通話，并通過(guò)發(fā)送設(shè)定好的短信息指令可以實(shí)現(xiàn)、電水杯的開(kāi)啟與關(guān)閉等功能。還可以將當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件狀態(tài)通過(guò)短信的形式發(fā)送到指定的手機(jī)中，達(dá)到對(duì)操作的結(jié)果了如指掌的目的。

【關(guān)鍵詞】嵌入式處理器;TC35i通信模塊;遠(yuǎn)程控制

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，家電的智能化和數(shù)字化也應(yīng)運(yùn)而生。因此，我們利用NiosII技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程控制模塊，以實(shí)現(xiàn)家用電器的智能化。它使得人們可以通過(guò)手機(jī)或者互聯(lián)網(wǎng)在任何時(shí)候，任何地點(diǎn)對(duì)家中的各種電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1.系統(tǒng)方案介紹

本設(shè)計(jì)利用FPGA平臺(tái)的Nios II軟核處理器，調(diào)用4個(gè)IP core，其中3個(gè)為通用IO接口，剩下的一個(gè)為異步串行通訊接口。以上所有IP core的管腳均需通過(guò)SOPC Builder文件定義，否則將無(wú)法與FPGA實(shí)際外部管腳相連。由于電熱杯的驅(qū)動(dòng)電流較大，F(xiàn)PGA的輸出電流無(wú)法將其直接開(kāi)啟，故需在電熱杯與FPGA之間加入以驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn)功能。驅(qū)動(dòng)電路采用繼電器作為控制器件，可以控制交變電壓220V下的電器，從而實(shí)現(xiàn)低壓器件控制高壓器件的目的。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 FPGA_Cyclone_III_ EP3C16下載板

本設(shè)計(jì)采用搭載Altera公司推出的Cyclone III系列芯片EP3C16Q240C8N芯片作為核心處理器的EP3C16Q240C8N-FPGA/Nios II開(kāi)發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)。具有電源和時(shí)鐘設(shè)計(jì)完善;性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊美觀;板上乘載資源、周邊接口較多，可擴(kuò)展性強(qiáng);板上器件調(diào)試方便，配置容易;擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)[1]。

2.2 TC35i短信模塊

TC35i是德國(guó)SIEMENS（西門(mén)子）公司的一款雙頻900/1800MHz高度集成的GSM模塊[2]。它設(shè)計(jì)小巧、功耗很低，可以為很多通信應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。本設(shè)計(jì)采用RS232的UART通信模式與FPGA下載板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)采用家用電器（電熱杯）作為控制對(duì)象，利用繼電器來(lái)控制，而繼電器本身對(duì)于FPGA芯片而言就是一個(gè)功率器件，因此這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路就顯得尤為重要。電路如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)電路中加入二極管要起到保護(hù)三極管等驅(qū)動(dòng)元件的目的。當(dāng)三極管的控制端，即FPGA的控制I/O管腳電平由高變低時(shí)，流經(jīng)繼電器線圈的電流將迅速減小，這時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì)，與電源電流方向同向產(chǎn)生疊加，其電壓將加在c、e級(jí)兩端，會(huì)使三極管擊穿。采用8050三極管驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作;并聯(lián)上二極管后，即可將繼電器線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)限制在二極管的正向?qū)妷簝?nèi)，此時(shí)二極管壓降為0.7V（硅管），從而達(dá)到避免擊穿三極管的目的。

圖2 繼電器原理圖

NPN型三極管8050的集電極最大電流為1.5A，其滿足電熱杯的額定工作電流1.36A，經(jīng)測(cè)試，此電路未發(fā)現(xiàn)異常。

3.軟件設(shè)計(jì)

Nios Ⅱ軟核內(nèi)部采用32位指令和數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部有32個(gè)通用寄存器和32個(gè)外部中斷源;使用同樣的指令集架構(gòu)（ISA），100%二進(jìn)制代碼兼容，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)系統(tǒng)需求的變化更改CPU，且開(kāi)發(fā)人員可以在Nios ⅡCPU 核內(nèi)增加硬件，用以執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)算任務(wù)，為時(shí)序要求緊張的軟件提供加速算法。[3]

3.1 Nios II嵌入式處理器設(shè)計(jì)

在Quartus下的SOPC Builder中建立軟核。設(shè)計(jì)軟核處理器時(shí)，CPU選用功能比較豐富的Nios II/f型，建立本設(shè)計(jì)所需的I/O軟核，選用數(shù)據(jù)為16位的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SDRAM，波特率為9600bps的串口（UART），JTAG UART以及EPCS Flash控制器。

圖3 軟核處理器原理圖

3.2 系統(tǒng)控制軟件流程圖

軟件流程圖如圖4所示，首先調(diào)用初始化函數(shù)對(duì)Nios II和液晶模塊進(jìn)行初始化。對(duì)于液晶顯示器，初始化是必要的步驟，否則不能使用。在整個(gè)系統(tǒng)軟件的運(yùn)行過(guò)程中，主要由三個(gè)判斷部分組成。每個(gè)部分都需要通過(guò)Nios II與AT命令配合使用，而AT命令需通過(guò)UART傳送到TC35i短信模塊中運(yùn)行。故這三個(gè)判斷部分是整個(gè)系統(tǒng)軟件成功運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

3.3 模塊連接部分程序

本部分函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)的自動(dòng)連接功能。當(dāng)開(kāi)發(fā)板上電時(shí)，會(huì)不斷從開(kāi)發(fā)板的串口發(fā)送字符串“AT”。如果當(dāng)TC35i短信模塊與開(kāi)發(fā)板連接成功，其會(huì)通過(guò)串口回復(fù)字符串“OK”。當(dāng)開(kāi)發(fā)板接收到回復(fù)的字符串時(shí)，會(huì)對(duì)其進(jìn)行判斷。如果接收到的字符串為“OK”時(shí)，通過(guò)液晶顯示“GSM...”，并給手機(jī)回發(fā)短信息“GSM is ok”示意連接成功，系統(tǒng)程序進(jìn)入下一循環(huán)。如果沒(méi)有收到字符串“OK”，程序循環(huán)，直到成功接收到字符串“OK”方可跳出循環(huán)。具體程序如下。

void send_message（void）

{ ?/////////////////////發(fā)送短信部分

pu8Ptr = u8GsmStr6; ? ? ? //AT+CMGS="+8615600157929"

UartSendMultiByte（pu8Ptr， 25）;

Delay_ms（250）;

pu8Ptr = u8GsmStr15;//短信內(nèi)容

UartSendMultiByte（pu8Ptr，13）;

Delay_ms（250）;

UartSendByte（0x1A）;

Delay_ms（100）;

UartSendByte（0x1D）;

UartSendByte（0x0A）;

for（numb=0;numb<100;numb++）

{

Delay_ms（100）;

}

圖4 軟件流程圖

3.4 短信判斷部分程序

本部分函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)判斷接收到的短信內(nèi)容，并根據(jù)不同的內(nèi)容跳轉(zhuǎn)到不同的循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)諸如打開(kāi)電熱杯、關(guān)閉電熱杯、點(diǎn)亮發(fā)光二極管與熄滅發(fā)光二極管的功能。在開(kāi)發(fā)板與TC35i短信模塊連接正常的前提下，短信模塊在接收到字符串“+CMGS： 1”，68表示接收到的第1條信息。

void send_wenshidu（void）

{ ?/////////////////////發(fā)送短信部分

pu8Ptr = u8GsmStr6; ? ? ? ? ?//AT+CMGS=”+8615600157929”

UartSendMultiByte（pu8Ptr， 25）;

Delay_ms（250）;

pu8Ptr = u8GsmStr5; ? //短信內(nèi)容

UartSendMultiByte（pu8Ptr， 9）;

UartSendByte（（u8DHT11Data[0]/10）+ 48）; //C

UartSendByte（（u8DHT11Data[0]%10）+ 48）;

UartSendByte（‘%）;

pu8Ptr = u8GsmStr7; ? //短信內(nèi)容

UartSendMultiByte（pu8Ptr， 9）; //UartSendByte（u8Temperature）;

UartSendByte（（u8DHT11Data[2]/10）+ 48）; //C

UartSendByte（（u8DHT11Data[2]%10）+ 48）;

UartSendByte（‘c）;

Delay_ms（250）;

UartSendByte（0x1A）;

Delay_ms（100）;

UartSendByte（0x1D）;

UartSendByte（0x0A）;

for（numb=0;numb<100;numb++）

{

Delay_ms（100）;

}

4.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

將TC35i短信模塊通過(guò)串行總線與EP3C16可編程片上系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板相連，外圍電路板按預(yù)留接口連接完畢后，分別給TC35i和開(kāi)發(fā)板接通電源。短暫等待后，可以觀察到液晶顯示出現(xiàn)如圖5所示的圖像，證明TC35i短信模塊已經(jīng)和EP3C16可編程片上系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板連接成功。連接成功后就可以向短信模塊發(fā)送控制信息，控制代碼有如下兩種，其意義分別為：OPEN將電熱杯打開(kāi);CLOSE將電熱杯關(guān)閉。由于“OPEN”與“CLOSE”兩種指令功能基本相同，故在此只說(shuō)明“OPEN”指令的實(shí)現(xiàn)。首先系統(tǒng)采集周圍環(huán)境的溫濕度，GSM初始化并在液晶上顯示。通過(guò)手機(jī)向TC35i短息模塊發(fā)送內(nèi)容為“OPEN”的短息之后，液晶會(huì)顯示接收短信，如圖6所示。接收短信后，繼電器打開(kāi)的同時(shí)液晶顯示工作狀態(tài)“turn on”。整個(gè)系統(tǒng)收到指令“OPEN”時(shí)，電熱杯開(kāi)始工作。幾秒鐘后，手機(jī)會(huì)收到來(lái)自TC35i短信模塊的信息回復(fù)當(dāng)前的環(huán)境溫濕度，如圖7所示。根據(jù)課題要求，整體功能實(shí)現(xiàn)如圖8所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)具有通過(guò)手機(jī)控制外圍硬件的能力?？梢酝ㄟ^(guò)手機(jī)發(fā)送的控制信息與TC35i短信模塊通信，其短信內(nèi)容經(jīng)RS232串行總線傳輸?shù)紽PGA芯片，在其中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使不同的短信內(nèi)容實(shí)現(xiàn)不同的功能，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)外圍電器進(jìn)行控制。可以將控制結(jié)果和周圍環(huán)境溫濕度通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)，并且可以在控制完成后給指定手機(jī)返回信息、報(bào)告控制情況和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況，完成指定功能。嵌入式處理器發(fā)展前景廣闊，GSM通信網(wǎng)絡(luò)雖然不是目前最新的通信體系，但市場(chǎng)占有率依然巨大，二者結(jié)合體現(xiàn)了各自的優(yōu)勢(shì)，相信在今后的智能家電的舞臺(tái)上，會(huì)越來(lái)越多看到它們的身影。

參考文獻(xiàn)

[1]www.Altera.com.

[2]TC35i開(kāi)發(fā)手冊(cè).

[3]郝建國(guó)，倪德克，鄭燕，等編著.基于Nios II內(nèi)核的FPGA電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2010，4.

[4]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版）[M].北京高等教育出版社，2006.5.

[5]張鳳英，王剛.基于ARM7和GSM的短信息家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，10.

[6]John G.Proakis.Digital Communications（Fifth Edition）.Publishing House of Electronics Industry.2009，5.