（物理电子学专业论文）基于sopc温湿度远程监测系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 利用互联网对嵌入式设备进行远程监测已经成为嵌入式技术的一项重要应 用，它使人们在任何时刻、任意地点都可以通过i n t e m e t 查看远程端嵌入式系统 的实时状态，并通过使用键盘和鼠标就可以控制远程设备。随着计算机网络技术 的快速发展，温湿度远程监测系统将出现在食品存储行业、建材管理、文物档案 管理、农业等各个生产生活领域，使得人们的生活更加便捷和高效。 本文在研究分析了国内外温湿度远程监测系统的基础上，提出了基于s o p c 嵌入式技术的一个温湿度远程监测系统。s o p c 是近几年兴起的一种嵌入式可编 程片上系统，是p l d 与s o c 技术的融合，集中了两者的优点，具有可裁剪、可 扩充、可升级和软硬件现场可编程的特点，为嵌入式设计的发展提供了一种全新 的解决方案。而在通信领域，以太网已经延伸到生产生活的各个角落，如何利用 应用广泛的网络技术来设计温湿度监测系统也是本文需要解决的问题。 本文研究分析了整个系统的软硬件开发流程，以n i o si i 软核嵌入式处理器为 核心，通过i p 核技术在一块f p g a 芯片上实现了整个系统的硬件开发，包括 s d r a m 控制器、f l a s h 控制器、l c d 液晶模块控制器、以太网接口、a v a l o n 总 线等。降低了系统的成本、复杂性和功耗，提高了开发效率。同时，对外围器件 的硬件电路设计和网络驱动设计也作了详细的分析。在硬件设计平台的基础上， 通过软件开发环境完成了软件部分的设计。主要包括温湿度信息的采集、l c d 的显示、u c o s i i 操作系统在n i o si i 上的移植、消息的传递、n i c h e s t a c kt c p i p 协议栈的设计以及基于v i s u a lc + + 客户端程序的编写。重点分析了u c o s i i 实时 内核的结构原理和移植方法以及在n i c h e s t a c kt c p i p 协议栈下的s o c k e t 套接字 接口的应用。通过客户端月艮务器( c s ) 结构，实现了人机交互良好的远程网络 监测系统。系统的软件和硬件均采用了模块化设计，这样既提高了开发的效率， 又增强了系统的通用性和可移植性。 本文研究设计的温湿度远程监测系统经测试运行具有良好的稳定性和可操 作性，表明s o p c 嵌入式系统的优良特性，完全可以进行技术的推广和进一步的 扩充完善，使s o p c 技术应用到更多的领域。 关键词：s o p c ，n i o si i ，u c o s i i ，n i c h e s t a c kt c p i p ，套接字 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t u s i n gt h ei n t e r n e tf o rr e m o t em o n i t o r i n go fe m b e d d e dd e v i c e sh a sb e c o m ea i l i m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , w h i c ha l l o w sp e o p l ea ta n y t i m ea n d a n y w h e r ev i at h ei n t e r n e tt oc h e c kt h e e m b e d d e dr e a l t i m es t a t u so ft h er e m o t e t e r m i n a l ，a n dt h r o u g ht h eu s eo fk e y b o a r da n dm o u s ec o n t r o l l i n gt h er e m o t ed e v i c e a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mw i l lb ea p p e a r e di nt h ef o o ds t o r a g ei n d u s t r y , b u i l d i n gm a t e r i a l sm a n a g e m e n t ，c u l t u r a lr e l i c sf i l e sm a n a g e m e n t ，a g r i c u l t u r ea n d o t h e rp r o d u c t i o na r e a so fl i f e ，m a k i n gp e o p l e sl i v e sm o r ec o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t t h i sp a p e rp r o p o s e sat e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo nt h e b a s i so fs o p ce m b e d d e dt e c h n o l o g yb ys t u d y i n gt h i sm o n i t o r i n gs y s t e ma th o m ea n d a b r o a d s o p cr e f e r st os y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i pw h i c hh a sg r o w nu pi nr e c e n t s e v e r a ly e a r s i tc o m b i n e sp l da n ds o c ，i n c l u d i n gb o t l lo ft h e i ra d v a n t a g e s ，w i t ha f e a t u r eo fs c a l a b l e ，e x p a n d a b l e ，u p g r a d e a b l ea n dp r o v i d i n gf i e l dp r o g r a m m a b l eo f b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i tg i v e san e ws o l u t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e d d e s i g n s i nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n ，e t h e m e th a sb e e ne x t e n d e dt ot h ep r o d u c t i o n o fe v e r yc o m e ro fl i f e ，h o wt ou t i l i z et h ew i d e l yu s e dn e t w o r kt e c h n o l o g yt od e s i g n t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym o n i t o r i n gs y s t e ma l s on e e dt ob es o l v e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n da n a l y s e st h e e n t i r es y s t e md e v e l o p m e n tf l o wo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h ec e n t e ro f n i o si is o f tc o r ee m b e d d e dp r o c e s s o r , t h r o u g h i pc o r et e c h n o l o g y , as i n g l ef p g ac h i pr e a l i z e st h ew h o l es y s t e mo fh a r d w a r e d e v e l o p m e n t ，i n c l u d i n gs d r a m c o n t r o l l e r , f l a s hc o n t r o l l e r , l c dm o d u l ec o n t r o l l e r , e t h e m e ti n t e r f a c e ，a v a l o nb u s a n ds oo n i tr e d u c e st h es y s t e m sc o s t ，c o m p l e x i t ) ra n d p o w e rc o n s u m p t i o n ，a n di m p r o v e st h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y m e a n w h i l e ，t h e d e s i g n so fp e f i p h e r f ld e v i c e sh a r d w a r ea n dn e t w o r kd r i v e ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l b a s e do nt h eh a r d w a r ed e s i g np l a t f o r m ，t h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g ni sd e s i g n e di n s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e st e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nt h r o u g hs e n s o r , l c dd i s p l a y , u c o s i ir t o s o nt h e n i o si it r a n s p l a n t a t i o n ，m e s s a g ed e l i v e r y , i m p l e m e n t a t i o no fn i c h e s t a c kt c p i p p r o t o c o ls t a c ka n dc l i e n tp r o g r a m m i n gb a s e do nv i s u a l c + + t h ep a p e rm a i n l y e x p l a i n s t h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo fu c o s - i ir e a l - t i m e k e m e la n di t s t r a n s p l a n t a t i o n , a sw e l la st h ea p p l i c a t i o no fs o c k e ta p p l i c a t i o ni n t e r f a c eu n d e rt h e n i c h e s t a c kt c p i pp r o t o c o ls t a c k t h er e s u l ti st oi l s ec l i e n t s e r v e r ( c s ) a r c h i t e c t u r e i i 武汉理工大学硕士学位论文 t oa c h i e v ear e m o t en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mf o rg o o dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es y s t e mh a v eb e e nu s e dam o d u l a rd e s i g n ，s ot h a t n o to n l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h ed e v e l o p m e n t ，b u ta l s oe n h a n c e st h eg e n e r a l i t y a n dp o r t a b i l i t yo ft h es y s t e m i nt h i sp a p e r , t h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mh a s g o o ds t a b i l i t ya n do p e r a b i l i t yb yt h et e s t i n ga n dr u n n i n g ，i n d i c a t i n gt h a tt h es o p c e m b e d d e ds y s t e mo w n sf i n ef e a t u r e s i ts h o u l db es p r e a da n di m p r o v e df u r t h e rm o r e ， m a k i n gs o p ct e c h n o l o g ya p p l yt om o r e f i e l d s k e yw o r d s ：s o p c ，n i o si i ，u c o s - i i ，n i c h e s t a c kt c p i p , s o c k e t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究目的与意义 本课题是企业资助项目。本文主要针对室内温湿度信息的监测，基于s o p c 技术设计了一种远程监测系统。 温度和湿度作为两个重要的物理参数，在我们的生产和生活中发挥着至关重 要的作用。随着工业的不断发展、人们生活水平的不断提高，对温度和湿度的测 量监测技术的要求也越来越高。因此，温度和湿度远程监测技术的研究也是一个 重要的研究课题。 仓库是一个相对复杂的环境，如果空气的温度和湿度控制不好，可能会使储 存的食物腐败、变质，降低食物的品质。如果可以实时地记录仓库的温湿度变化， 可以有效的延长食物的储存时间，保证食品的安全性。 博物馆或档案馆中温湿度是影响文物和纸张保存的主要因素。环境温差较大 会造成文物的热胀冷缩，湿度过高或过低会对有机质文物造成严重损坏，因此适 宜的温湿度、洁净的环境是文物保护的必要条件。 在建材尤其是混凝土干燥过程中，应注意其干燥趋势，这是评价产品的指标 之一，应用温湿度监测系统可以将此数据记录下来并提供给建材研究方，为施工 提供有益的帮助；尤其是在军事建筑中，时间就是生命，准确把握混凝土干燥时 间为先发致敌，有效地将有生力量提供到了战场上【l 】。 在农业生产中，采用先进的智能温室技术合理地控制影响农作物生长的温 度、湿度、光照等环境因素，克服外界气候环境和土壤的制约，既有效地提高了 农作物的产量和质量，能够让作物适时上市，又降低了生产成本。 在医疗卫生场所，对温湿度的要求也非常严格。手术室的温湿度必须控制在 一定的范围以内；当室温超过2 8 0 c ，湿度大于7 0 r h 时，病人会出现闷热、出 汗、心率加快等反应。通过温湿度监测系统确认医院的环境情况，不仅减少了人 员的浪费，而且在温湿度监测的准确度方面也得到了良好的保证。 在计量校准实验室和电子制造环境，温度和湿度往往需要监测和报警显示， 以保障产品和工艺。不适宜的温湿度的危害对于设备来说，环境温度过高易引起 散热不良；温度过低，集成电路和设备润滑系统常常无法工作；环境湿度过高时， 空气中的水分因达临界湿度即凝结并附着于电气元件上，导致电气性能改变，精 密机械表面因长期受潮而生锈会降低精密度。因此，在电子精密仪器的保存和制 造中，温湿度监测十分重要。 由此可见，温湿度监测与人们的生产生活息息相关，在众多场所应用广泛。 武汉理工大学硕士学位论文 采用自动化、远程式地监测温度和湿度已是必然趋势。温湿度远程监测系统具有 广阔的推广价值，对其研究也是一个重要课题，经济效益和社会效益都将是非常 可观的，具有重要的现实意义。 2 课题的国内外研究现状 国外对温湿度监测技术研究较早，始于2 0 世纪7 0 年代。先是采用模拟式的 组合仪表，人工采集现场信息并进行指示、记录和控制。8 0 年代末出现了分布 式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统。现在世界各国的温湿 度监测技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、网络 化的方向发展。 我国对于温湿度监测技术研究较晚j 起初是采用人工测量方式。这种方式在 读数时容易产生较大的误差，并且温湿度计本身也存在误差，反应较慢，测量的 效率低，抽样不科学，不能及时的根据实际情况控制温湿度，使监测失去了本身 的意义。再者，这种检测方式对应用环境有很大的局限性。如果测量地点氧气含 量较低，光线不足，或者存有某些易燃易爆的物品，对人的生命构成威胁，不适 合人工检测。 随着电子工业技术的飞速发展，出现了以单片机为核心，使用温湿度传感器 替代原始温湿度计的监测系统。通过单片机直接控制传感器获取温湿度信息，将 结果显示在数码管上，这在很大程度上提高了工作效率，扩展了应用范围。但是 该系统采用的温湿度传感器输出模拟信号，在传输过程中容易发生损耗，影响系 统整体的精度，需要经过模数转换芯片转换成数字信号以后才能被单片机接收。 在远距离监控设计方面不够灵活，传统的基于r s 4 8 5 串行总线的监测系统布线 繁琐、传输距离受限；或者先使用串口，然后通过串口转t c p i p 协议转换器连 接到互联网的方式，既增加了系统的复杂性和成本，又很难对系统进行功能的升 级和扩展。 近年来，由于大规模集成电路的发展，传统的基于模拟信号输出的温湿度传 感器不能再满足监控环境对系统的需求而逐渐被淘汰。新型的数字化温湿度传感 器开始在监测领域被广泛使用。数字型温湿度传感器是将温湿度检测芯片、a d 转换模块、温度补偿模块等集成为一个整体，一般采用双向的单总线结构，具有 线路简单、硬件开销少、成本低、便于总线的扩展和维护等特点。由于输出是数 字信号，从而解决了信号在传输过程中的损耗问题，提高了系统的抗干扰性和精 度。 基于a r m 的数字式温湿度监测系统很好地解决了基于单片机的一般温湿度 监测系统的问题，由数字单总线采集温湿度信号，通过网络协议接口将信息发送 2 武汉理工大学硕士学位论文 到远程的控制端，使用r t o s 操作系统实现通信网络和应用程序多任务的调度， 实时监测环境温湿度信息。但是系统一旦设计完成后，如果产品需要更新和功能 的扩展，则必须重新设计，系统的可扩展性和重用性较差。 基于s o p c 嵌入式温湿度远程监测系统由于继承了s o p c 技术灵活的设计特 点，能够根据实际需要可以很方便地扩充系统功能。 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ：可编程片上系统) 是一种特殊的嵌 入式系统，是由a l t e r a 公司首先提出的一种灵活、高效的解决方案。s o p c 技术 包含以下三个方面【2 】： ( 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核。这种s o p c 系统是指在f p g a 中预先植入处理 器。这使得f p g a 灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起， 高效地实现s o p c 系统。 ( 2 ) 基于f p g a 嵌入i p 软核。这种s o p c 系统是指在f p g a 中植入软核处理 器，如：n i o si i 核等。用户可以根据设计的要求，利用相应的e d a 工具，对n i o s i i 及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等 方面全面满足用户系统设计的要求。 ( 3 ) 基于h a r d c o p y 技术。这种s o p c 系统是指将成功实现于f p g a 器件上的 s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化。把大容量f p g a 的灵活性和a s i c 的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感的电子产品，避开 了直接设计a s i c 的困难。 s o p c 技术将p l d 和a s i c 技术融合在一起，它在单片f p g a 芯片中集成了 硬核或软核c p u ( 如n i o si i ) 、存储器、d s p 和外围的i o 等功能模块。图1 1 是一个典型的s o p c 系统结构。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 一个典型的s o p c 系统 为了解决传统的s o c ( 片上系统) 开发周期较长，开发费用高昂以及需要较 大规模的专业研究设计人员等的缺陷，美国的a l t e r a 公司提出了s o p c 技术。它 为s o c 技术提供了一种新的并行之有效的解决方案，即在现场可编程门阵列中 实现s o c 技术。a l t e r a 提供了一系列的功能强大、易用的开发工具和设计教程， 方便了研究者的学习和使用。美国的许多著名高校和研究机构设立了专门的 s o p c 实验室。但是目前s o p c 技术和开发工具还不够完善，需要不断地改进。 在我国，s o p c 技术刚起步不久，专门研究人员不多，研究资料也比较少。随着 半导体行业的蓬勃发展，开始学习s o p c 技术的人正在逐渐增加。 s o p c 在应用的灵活性和价格上有着明显的优势，有效地降低了开发成本。 它广泛应用于汽车、医疗、消费类电子、工业、航空航天、测量、通信等领域， 代表了半导体产业未来发展的方向。 3 本文的研究工作和结构 本文旨在通过温湿度传感器采集环境的温度和湿度信号，然后通过搭建以 n i o s i i 软核处理器为核心的s o p c 系统将采集到的信号进行处理，由r t o s 嵌入 式实时操作系统进行调度和管理，将信号传输到液晶屏上显示出来并且通过内部 总线将信号量传送到n i c h e s t a c kt c p i p 协议的服务器中。网络用户可以通过客 户端软件输入相关的指令监控服务器上的数据。 4 武汉理工大学硕士学位论文 本课题主要在f p g a 开发板、网络模块、传感器模块和l c d 显示屏上，通 过硬件和软件协作设计开发，完成一个基于s o p c 嵌入式温湿度实时远程网络监 测系统。其主要特点为： ( 1 ) 利用数字传感器技术取代传统的测量仪器，效率更高，成本更低，实时 性好，适用于苛刻的环境。 ( 2 ) 采用a l t e r a 的s o p c 嵌入式系统，使用户操作简单易行，灵活性大大提 升，便于维护和升级。 ( 3 ) 在n i o si i 上通过u c o s i i 嵌入式操作系统进行任务调度和管理，作为应 用程序运行的平台。 ( 4 ) 在u c o s i i 实时嵌入式操作系统下嵌入n i c h e s t a c kt c p i p 协议，实现终 端的网络通信和系统管理。 本文的篇章结构为： 第一章：简要阐述温湿度远程监测系统的研究目的与意义，课题的国内外研 究现状； 第二章：介绍系统的总体设计、s o p c 系统的结构和软硬件开发流程； 第三章：硬件设计部分：包括f p g a 开发平台的研究、传感器模块设计、l c d 液晶显示屏模块设计和网络模块的设计； 第四章：软件设计部分：包括u c o s i i 实时嵌入式操作系统的结构、原理及 其在n i o si i 上的移植；n i c h e s t a c kt c p i p 协议栈的结构、初始化方法和套接字 接口的调用；应用级代码的实现；基于v i s u a lc + + 的网络客户端的设计； 第五章：系统的运行与测试分析； 第六章：总结对温湿度远程监测系统的研究设计工作，对未来的进一步研究 和发展提出展望。 1 4 小结 本章首先介绍了温湿度远程监测的研究目的、意义，分析国内外研究现状， 比较了不同的解决方案，提出了基于s o p c 嵌入式技术的温湿度远程监测系统， 然后阐述了s o p c 技术的结构特点、设计优势及研究发展状况，最后根据系统的 设计要求对研究内容和结构做了简要的说明。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章温湿度远程监测系统的总体设计 本系统是研究设计温湿度远程监测系统，能够对环境温湿度进行监测，能实 时地、直接地了解和掌握不同监测场所的环境变化情况，并及时对发生的情况作 出反应，推动环境温湿度监控逐步向自动化、综合化、集中化和智能化方向发展。 本章主要阐述实现温湿度远程监测总体设计方案和s o p c 技术的总体开发流程。 2 1 系统的总体结构设计 温湿度监测系统是基于s o p c 嵌入式的t c p i p 服务器技术的远程网络监测 系统。其主要原理为：温湿度传感器通过内部的感湿元件和测温元件，将模拟信 号转换成数字信号输出，在n i o si i 处理器的控制下，由u c o s i i 实时操作系统 进行调度和管理，按照一定的网络协议将信号传送到局域网或者i n t e m e t 网络上， 同时本地的显示屏显示当前的温湿度值。 温湿度远程监测系统的组成如下： 图2 1 温湿度远程监测系统的组成 温湿度远程监测系统采用c s ( 客户端服务器) 结构模式，由c l i e n t ( 客户 端) 与s e r v e r ( 服务器) 进行通信交互：c l i e n t 程序将用户的要求提交给s e r v e r 6 武汉理工大学硕士学位论文 程序，然后将s e r v e r 程序返回的结果以特定的形式显示给用户；s e r v e r 程 序接收客户程序提出的服务请求，进行相应的处理，再将结果返回给c l i e n t 程序。c s 交互模式构成了基本的网络通信，通过在p c 上编写的客户端应 用软件很方便地连接到远端的服务器上获取监测数据或采取控制措施。c s 模式结构简明、开放，速度快，安全性和可维护性好。 本系统总体来看具有三层体系结构，最底层的为数据采集系统，由传感 器设备现场采集数据，执行控制指令；第二层为实时数据处理系统，现场 采集的数据及相关信息传送到这一层的网络服务器中，由服务器c p u 对数 据信息进行分析、传输、控制等处理，将实时数据通过t c p i p 网络发布到 远程的客户；第三层的监测客户端通过网络连接到服务器上，用户直接使用 客户端监测软件监测远程环境的温湿度信息并根据需要作出相应的指令，实 现远程实时监控。 具体来说本系统包含以下几个部分： ( 1 ) 传感器模块：多点获取温湿度信号。 ( 2 ) 网络模块：根据网络协议建立网络监测传输系统，可设置多级网络结构， 满足不同监测者的需求。监测者可登录远程网络客户端，根据p c 屏幕显示获取 温湿度信息。 ( 3 ) 显示模块：实时显示本地的温湿度信息。 ( 4 ) 报警模块：当温度或湿度超过设定的限度会启动报警装置，提示监测人 员改善本地环境。 ( 5 ) 空调a n 湿器控制：启动空调a n 湿器，调节空气环境，使环境维持正常 值。 ( 6 ) c p u 模块：n i o si i 软核处理器控制整个系统的运行。 s o p c 嵌入式温湿度远程监测系统体积小、功耗低、可靠性高，具有较好的 可裁剪性和可扩展性。本文主要研究和实现温湿度采集、显示、控制和网络服务 器部分。 2 2 基于s o p c 技术的方案分析 基于s o p c 嵌入式温湿度远程监测系统的结构框图如图2 2 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 基于s o p c 嵌入式温湿度远程监测系统的结构 温湿度远程监测系统选用s o p c 方案是因为基于s o p c 的嵌入式方案充分利 用f p g a 丰富的硬线逻辑资源，通过i p 核的可重用技术将系统所需资源整合到 一块芯片中。从硬件方面来看，a l t e r a 公司的n i o si i 软核处理器是一个r i s c ( 精 简指令集) 的3 2 位c p u ，拥有丰富的i o 接口满足扩展需求，n i o s1 1 支持用户 自定义逻辑，用户可以根据设计需要定制逻辑外设和用户指令。从软件方面来看， a l t e r a 公司提供了完整的开发工具，设计者可以使用q u a r t u si i 软件工具和v e r i l o g h d l v h d l 语言很方便地设计自己需要的逻辑模块；可以对f p g a 的i o 引脚 进行定义和配置；可以在不改变硬件电路的基础上得到需要的功能模块、外围接 8 武汉理工大学硕士学位论文 口、控制功能等；通过s o p cb u i l d e r 可以很方便地创建和配置n i o si i 的外围设 备控制器和系统时钟；通过n i o si ii d e 集成开发环境实现n i o si i 应用程序的开 发、h a l 驱动开发、软硬件调试、r t o s 实时操作系统的移植等。在实时性和可 扩展性方面，s o p c 开发技术完全符合设计要求。 温湿度采集部分采用了d h t l l 数字式传感器，直接输出数字信号，与模拟 信号传感器相比，减少了额外的模数转换的开销，降低了成本和复杂性，提高了 系统的可靠性。d h t l l 包含一个电阻式感湿元件和一个n t c 测温元件，并与一 个高性能的8 位单片机相连，使用3 5 5 5 v 电压供电，具有很高的可靠性和稳定 性。 网络通信部分选用s m s c 公司的l a n 9 l c l l l - n u 网络接口芯片，构建一个 嵌入式网络服务器。网络接口芯片l a n 9 1 c 1 1 1 - n u 广泛用于各种嵌入式系统中， 芯片上集成了遵循s m s c c d 协议的m a c ( 媒体层) 和p h y ( 物理层) ，符合 i e e e 8 0 2 3 8 0 2 u 1 0 0 b a s e 例1 0 b a e s t 规范，易于移植t c p f l p 协议栈，系统开 发维护简单方便。 嵌入式操作系统选择m i c r i u m 公司的u c o s i i 嵌入式实时操作系统，它是一 个完全免费、源代码公开的、可裁剪、抢占式、多任务的操作系统内核。u c o s i i 的绝大部分源代码是用a n s ic 编写的，只有极少数与微处理器硬件相关的部分 是用汇编语言编写，使得u c o s i i 可移植性好，只需修改少量的文件代码就可 以移植到n i o si i 上。 在网络协议部分选择i n t e r n i c h e 公司的n i c h e s t a c kt c p i p 协议栈，它主要用 在嵌入式系统与互联网连接的设计中。n i c h e s t a c kt c p i p 协议栈是一个小型的、 可移植、高性能的t c p i p 协议栈，支持f t p 、t e l n e t 、d n s 、d h c p 、t c p 和 u d p ，网络吞吐量大，内存占用低，支持b s ds o c k e t ，很方便编写网络应用程 序。 因此，考虑到系统设计的可扩展性、灵活性、实时性、完善的软硬件开发平 台，使用s o p c 嵌入式技术完全满足系统的设计要求。 基于s o p c 的温湿度远程监测系统由以下几个模块组成： ( 1 ) f p g ac o r e ：该部分为s o p c 嵌入式的核心部分。包括n i o si i 软核处 理器、j t a gu a r t 串行通信模块、s d i 认m 控制器、系统定时器、三态桥、e p c s 控制器、l c d 控制器、以太网接口、信号接收模块和a v a l o n 总线等。它们全部 都配置在一块f p g a 芯片中。 ( 2 ) s d r a m ：片外s d r a m 通过s d r a m 控制器与a v a l o n 接口连接，作 为嵌入式系统的应用程序运行空间或者大量数据的缓冲区。 ( 3 ) t i m e r ：定时器是一个很重要的设备，它通过外部时钟脉冲产生时钟周 9 武汉理工大学硕士学位论文 期信号作为系统时钟( t i c k ) ，也可作为一个计时器，测定事件发生的时间。 ( 4 ) c f if l a s h ：f l a s h 可作为嵌入式系统的程序存储空间或者作为程序的固 件空间，它同过c f i 控制器与a v a l o n 总线接口相连。 ( 5 ) l c d 模块：用于控制l c d 显示屏显示数据。 ( 6 ) 以太网接口：通过网络接口r j 4 5 发送到远程监控端，实现远程网络交 互系统。 ( 7 ) 传感器模块：采集温湿度信息。 另外还包括电源模块、时钟发生模块、复位电路模块等。 2 3nio si i 嵌入式系统组件及外设结构分析 图2 2 所示的基于s o p c 嵌入式温湿度远程监测系统包括一个n i o si i 嵌入式 c p u 、a v a l o n 总线和外围设备三个主要部分，以下分别进行分析。 2 3 1n ；o si i 软核处理器结构分析 n i o si i 是a l t e r a 公司在2 0 0 4 年6 月推出的第二代嵌入式软核处理器。相比 第一代的n i o s 处理器，n i o si i 的性能提高了三倍，而内核部分的面积最大减小 了一半。 n i o si i 处理器是一款通用的r i s c 软核处理器，它具有如下特性： ( 1 ) 完全的3 2 位指令集、数据通道和地址空间； ( 2 ) 3 2 个通用目的寄存器 ( 3 ) 3 2 个外部中断源 ( 4 ) 含有外部中断控制器接口可以增加中断源 ( 5 ) 计算6 4 位和1 2 8 位的乘法专用指令 ( 6 ) 单精度浮点运算指令 ( 7 ) 单指令移位寄存器 ( 8 )对片上外设进行访问并提供片外存储器和外设接口 ( 9 ) 硬件支持由n i o si i 软件开发工具控制的调试模块 ( 1 0 ) 可选的支持操作系统的存储器管理单元 ( 1 1 ) 基于g n uc c + + 工具链和s b t ( 软件构建工具) 的软件开发环境 ( 1 2 ) 集成a l t e r a 的s i g n a l t a pi i 嵌入式逻辑分析仪 ( 1 3 ) 具有2 5 0d m i p s 的性能 n i o si i 处理器系统相当于一个微控制器或者一个“片上计算机 ，它由n i o s i i 处理器软核、片上外设、片上存储器和片外存储器组成，构成了一个a l t e r a 器 l o 武汉理工大学硕士学位论文 件。与其它的微处理器一样，n i o si i 处理器系统使用相同的指令集和编程模型。 图2 3 为n i o si i 软核处理器的内部结构。 图2 3n i o si i 处理器结构 由图可以看出，n i o si i 处理器包含以下功能模块：寄存器文件、算术逻辑单 元( a l u ) 、用户逻辑接口、异常控制器、中断控制器、数据总线和指令总线、 存储管理单元( m m u ) 、存储保护单元( m p u ) 、指令和数据c a c h e 、紧耦合指 令和数据接口以及j t a g 调试模块。 n i o si i 处理器分为三种类型： ( 1 ) n i o si i e 型：即n i o si i 经济型，该类型软核所占的f p g a 资源最少，但 是性能最低； ( 2 ) n i o si i f 型：即n i o si i 快速型，该类型软核性能最高，但是所消耗的f p g a 资源最多； ( 3 ) n i o si i s 型：即n i o si i 标准型，该类型软核的性能和资源消耗介于经济 型和快速型之间。 为兼顾性能和资源消耗这两者的平衡，本设计采用n i o si i s 型处理器，既满 足了设计需求，又节省了f p g a 的硬线逻辑资源，方便日后对系统功能的扩充和 升级，体现了s o p c 技术的优越性。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2a v aio n 总线结构分析 a v a l o n 总线是由a l t e r a 开发的一种专用内部连线，用于n i o si i 处理器与外 设的数据交换与连接，可由s o p cb u i l d e r 工具生成。 a v a l o n 总线接口描述了主( m a s t e r ) 、从( s l a v e ) 外设之间的端口连接关系 和外设之间相互通信的时序关系。a v a l o n 总线接口还定义了外设与转换互联结 构( s w i t c hf a b r i ci n t e r c o n n e c t ) 之间的传输方式。根据规范，任何一个a v a l o n 上 的主类型外设都可以动态的与a v a l o n 上的任意一个从外设相连，而无须预先知 道主或从接口的相关知测3 1 。 图2 - 4 为a v a l o n 总线交换结构体系。 m a s t e r s s l a v e s 图2 4a v a l o n 总线结构 a v a l o n 总线接口是一个灵活、开放的接口，它具有以下特点【4 】： ( 1 ) 使用独立的地址线、数据线和控制线，提供与片上逻辑最简单的接口； ( 2 ) 支持最高1 2 8 位的数据宽度； ( 3 ) 所有的a v a l o n 外设接口与a v a l o n 交换结构的时钟同步； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 支持动态地址对齐， ( 5 ) 资源占用少； ( 6 ) a v a l o n 接口性能高， 可处理具有不同数据宽度的外设之间的数据传输； 每个时钟可以传输一次。 2 3 3nio si i 外围设备分析 n i o si i 处理器外围设备( p e r i p h e r a l s ) 可以分为标准外设和定制外设两类。 标准外设是以i p 核的形式提供给用户，用户可根据实际需要把这些i p 核集 成到n i o si i 系统中去。标准外设包括并行输入输出、s d r a m 控制器、c f i 控 制器、定时器、u 趾玎核、j t a gu a r t 核、d m a 核等。 定制外设是用户根据自己的要求定制用户逻辑外设和定制用户指令，如网络 接口等。用户外设的定制可以通过s o p cb u i l d e r 工具提供的元件编辑器在图形 用户界面( g u i ) 下将用v e r i l o g 或v h d l 硬件描述语言描述的用户逻辑封装成 一个s o p cb u i l d e r 元件，用户可以像使用标准外设一样使用这些定制元件，也 可以把它们提供给其他的用户使用。 这些n i o si i 处理器外围设备可以通过s o p cb u i l d e r 工具，设定配置信息， 然后根据自顶向下的设计方法集成到顶层系统文件中去。 2 4 基于s o p c 系统的开发流程 s o p c 嵌入式设计包括n i o si i 嵌入式系统的硬件配置、硬件设计、硬件仿真、 集成开发环境的软件设计和软件调试等。基本开发工具为： ( 1 ) q u a r t u si i ：完成n i o si i 系统的分析综合、优化、适配、配置文件的下 载及硬件测试。 ( 2 ) s o p cb u i l d e r ：该工具集成在q u a r t u si i 中，可以通过q u a r t u si i 打开s o p c b u i l d e r 开发工具。它主要用于实现n i o si i 系统的配置和生成系统仿真、综合文 件。 ( 3 ) n i o si ii d e ：提供全功能的源代码编辑器和c c + + 编译器，用于完成基 于n i o si i 系统的软件开发和调试。 基于s o p c 温湿度监测系统的开发流程如图2 5 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 温湿度监测系统的开发流程 s o p c 系统开发通常分为硬件设计部分和软件设计部分。对于简单的系统， 一个人就可以完成所有的设计；对于比较复杂的系统，硬件设计和软件设计可以 分开来进行。 硬件开发过程中，首先通过s o p cb u i l d e r 工具在外设列表中选择合适的 c p u 、存储器和外设，设置它们的功能参数，分配中断号和硬件基地址，生成一 个系统。用户也可以添加定制逻辑到n i o si i 中。然后在q u a r t u si i 中，将生成的 n i o si i 系统集成到顶层工程文件中。用户可以在工程中加入n i o si i 系统以外的 逻辑。接着分配f o 管脚，设置时序约束和编译选项，编译整个工程，生成s o f 配置文件。最后通过u s bb l a s t e r 下载电缆将配置文件下载的目标板上。软件开 发者可以把这个目标板作为软件开发的硬件平台。 软件开发使用基于e c l i p s ei d e 架构的集成开发环境，借助n i o si ii d e ，可以 完成包括温湿度采集、液晶显示等c c + + 应用程序开发