摘"要：利用FPGA構(gòu)建了SoPC，移植了uC/OSII操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于無刷直流電機(jī)的小風(fēng)扇轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)；利用DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度，根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；利用HCSR04超聲波模塊測(cè)量物體距離，實(shí)現(xiàn)了物體接近風(fēng)扇到8cm距離時(shí)，無刷直流電機(jī)自動(dòng)限速，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警；利用SU03T語音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)了語音控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；通過FPGA與STM32F103C8T6單片機(jī)控制的WiFi模塊串口通信，實(shí)現(xiàn)將環(huán)境溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、距離報(bào)警信號(hào)、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向數(shù)據(jù)上傳到阿里云。

關(guān)鍵詞：SoPC；uC/OSII；無刷直流電機(jī)；語音識(shí)別；阿里云

中圖分類號(hào)：TP241.3

Design"of"Experimental"Teaching"Cases"for

\"Electronic"System"Design\""Course"Based"on"SoPC

Dong"Sheng"Zhao"Ying"Meng"Xiang"Xing"Liyun"Jia"Yanfei

School"of"Electrical"and"Information"Engineering，Beihua"University"JilinJilin"132021

Abstract：A"SoPC"was"constructed"using"FPGA，and"the"uC/OSII"operating"system"was"ported"to"achieve"the"hardware"and"softwarenbsp;design"of"a"small"fan"speed"intelligent"control"system"based"on"brushless"DC"motor；Using"DS18B20"temperature"sensor"to"collect"ambient"temperature"and"automatically"control"the"motor"speed"based"on"the"ambient"temperature；By"using"the"HCSR04"ultrasonic"module"to"measure"the"distance"between"objects，it"has"been"achieved"that"when"an"object"approaches"the"fan"to"a"distancenbsp;of"8cm，the"brushless"DC"motor"automatically"limits"its"speed"and"the"buzzer"sounds"an"alarm；The"SU03T"speech"recognition"module"was"used"to"achieve"voice"control"of"motor"speed；Through"serial"communication"between"FPGA"and"STM32F103C8T6"microcontroller"controlled"WiFi"module，environmental"temperature，fan"speed，distance"alarm"signal，and"motor"rotation"direction"data"can"be"uploaded"to"Alibaba"Cloud.

Keywords：SoPC；uC/OSII；Brushless"DC"Motor；Voice"Recognition；Alibaba"Cloud

本文對(duì)本科電子信息工程專業(yè)“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)課程總學(xué)時(shí)8學(xué)時(shí)，要求學(xué)生分組完成環(huán)境溫度采集、直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)物調(diào)試，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)物驗(yàn)收考核，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告［1］。

實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是解決環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)采集、直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的智能控制以及阿里云平臺(tái)無線傳輸數(shù)據(jù)問題，傳授學(xué)生利用單片機(jī)、SoPC、uC/OSII、VerilogHDL編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)串口通信、WiFi通信、PWM控制功能；鍛煉學(xué)生的電路設(shè)計(jì)、程序調(diào)試、設(shè)備使用與電路故障診斷能力，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與解決工程實(shí)際問題的能力［1］。

1"智能小風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能小風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)PGA開發(fā)平臺(tái)采用實(shí)驗(yàn)室常見的DE270多媒體開發(fā)板［2］，構(gòu)建SoPC片上可編程系統(tǒng)，移植uC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，編寫C語言程序?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)調(diào)度以及任務(wù)之間的通信。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下述功能：

（1）構(gòu)建基于NIOSII的SoPC片上系統(tǒng)［3］；

（2）建立uC/OSII多任務(wù)實(shí)時(shí)采集、顯示、傳輸環(huán)境溫度，測(cè)溫范圍-10℃～+85℃，精度±0.5℃［4］，實(shí)現(xiàn)超溫聲音報(bào)警；

（3）驅(qū)動(dòng)型號(hào)為R2418CE、參數(shù)為DC12V4500RPM的直流無刷電機(jī)［5］，根據(jù)環(huán)境溫度改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，溫度越高，轉(zhuǎn)速越快，實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；

（4）實(shí)現(xiàn)基于超聲波測(cè)距原理的物體異常接近，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速限速控制功能，測(cè)距范圍3～200cm，誤差在1cm范圍內(nèi)［6］；

（5）與阿里云通信實(shí)時(shí)上傳溫度值、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速值、距離報(bào)警信號(hào)、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向數(shù)據(jù)；

（6）識(shí)別非特定人的語音指令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的三檔語音控制。

2"系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1"超聲波測(cè)距、聲光報(bào)警、距離顯示模塊電路設(shè)計(jì)

利用VerilogHDL編程驅(qū)動(dòng)HCSR04模塊實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距、聲光報(bào)警及距離顯示功能，電路見圖2。echo和trig連接到超聲波測(cè)距模塊HCSR04的對(duì)應(yīng)端口［7］，out_range_buzz連接到蜂鳴器距離報(bào)警電路，seg連接到DE270開發(fā)板的LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路，out_range_led分別連接到DE270開發(fā)板的LED紅色指示燈和NIOSII處理器AVALON總線的距離報(bào)警輸入端口pio_outrange_in［2］。

2.2"PWM驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

利用VerilogHDL編程實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路。duty端口連接到NIOSII處理器PWM占空比輸出端口，pwm_out端口連接到直流無刷電機(jī)的PWM信號(hào)輸入端口，PWM信號(hào)頻率范圍控制在15～25kHz范圍內(nèi)［5］。

2.3"測(cè)速模塊設(shè)計(jì)

利用VerilogHDL編程實(shí)現(xiàn)了電機(jī)測(cè)速模塊電路。pulse_in端口連接到直流無刷電機(jī)的速度反饋輸出信號(hào)端口；seg_data端口連接到DE270開發(fā)板的LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路，顯示轉(zhuǎn)速值；speed_out端口連接到NIOSII處理器的測(cè)速輸入端口［2，5］。

2.4"核心處理器模塊設(shè)計(jì)

基于NIOSII核心處理器的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖3。處理器的pio_in_key_dir端口連接到DE270開發(fā)板的按鍵；通過pio_out_motor_dir端口輸出控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向；串行通信端口uart_yuyin和uart_stm32_yun分別連接到SU03T語音識(shí)別模塊［8］和STM32F103C8T6控制的WiFi模塊，分別用于輸入識(shí)別語音指令以及向阿里云上傳數(shù)據(jù)；bidir_port_to_and_from_the_pio_18b20端口連接到DS18B20溫度傳感器的DQ數(shù)據(jù)端口；my_lcd控制端口和數(shù)據(jù)端口用于驅(qū)動(dòng)1602LCD顯示溫度和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；SDRAM端口用于驅(qū)動(dòng)SDRAM存儲(chǔ)器，構(gòu)成片上系統(tǒng)的內(nèi)存空間［23］。

2.5"蜂鳴器距離報(bào)警電路設(shè)計(jì)

采用S8050型三極管驅(qū)動(dòng)有源蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)近距離報(bào)警。

2.6"DS18B20接口電路設(shè)計(jì)

DS18B20溫度傳感器的DQ端，外接上拉電阻，連接到NIOSII處理器的bidir_port_to_and_from_the_pio_18b20端口［7］。

2.7"語音識(shí)別模塊接口電路設(shè)計(jì)

SU03T語音識(shí)別模塊的B7引腳連接到NIOSII核心處理器的uart_yuyin_rxd串口輸入端口［9］。

2.8"WiFi模塊接口電路設(shè)計(jì)

WiFi模塊ESP8266接口電路見圖4［9］，一個(gè)串口負(fù)責(zé)接收FPGA通過EIARS232串口發(fā)來的、經(jīng)過RS232TTL接收模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，另一個(gè)串口將數(shù)據(jù)打包，通過連接WiFi熱點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳給阿里云服務(wù)器［9］。

3"基于eclipse的NIOSII、uC/OSII系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在主程序中創(chuàng)建了兩個(gè)用戶任務(wù)task1、task2。在task1中，首先，采用臨界段代碼技術(shù)采集環(huán)境溫度，防止溫度采集時(shí)序被打斷，確保溫度采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確［10］；其次，讀取電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，讀取按鍵控制的自動(dòng)和手動(dòng)模式控制轉(zhuǎn)速信息；最后，將所有數(shù)據(jù)打包成32位數(shù)據(jù)格式，通過消息郵箱傳遞給task2。32位數(shù)據(jù)打包格式：1位模式控制位，15位溫度數(shù)據(jù)，16位轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

在task2中顯示溫度值及轉(zhuǎn)速值，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在手動(dòng)控制模式下，實(shí)現(xiàn)根據(jù)語音指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；在自動(dòng)控制狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境溫度，利用PID控制算法自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；實(shí)現(xiàn)物體距離異常接近風(fēng)扇限速以及語音控制轉(zhuǎn)速；將電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、距離、電機(jī)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)打包，通過串口發(fā)送給STM32F103C8T6單片機(jī)控制的WiFi模塊，然后發(fā)送給阿里云。

在task1、task2之間采用雙郵箱通信技術(shù)，同步兩個(gè)任務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳輸［10］。

4"系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

4.1"系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)物圖見圖5。

4.2"利用WiFi上傳阿里云溫度、轉(zhuǎn)速、距離報(bào)警、電機(jī)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)結(jié)果

利用WiFi上傳阿里云溫度、轉(zhuǎn)速、距離報(bào)警、電機(jī)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)結(jié)果見圖6。

結(jié)語

本文解決了溫度檢測(cè)與直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速智能控制問題，實(shí)現(xiàn)了阿里云上傳電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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［10］張勇.嵌入式操作系統(tǒng)原理與面向任務(wù)程序設(shè)計(jì)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010：102227.

項(xiàng)目來源：北華大學(xué)校級(jí)教育教學(xué)改革研究課題“產(chǎn)教結(jié)合模式下電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革研究”（項(xiàng)目編號(hào)：ZJ1241853）；吉林省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)課題：新工科背景下“以能力為導(dǎo)向”的電子信息工程類專業(yè)課程體系構(gòu)建新模式探索（編號(hào)：ZD22091）

作者簡(jiǎn)介：董勝（1972—"），男，漢族，黑龍江嫩江人，儀器儀表工程碩士，副教授，研究方向：信號(hào)采集與處理。