电子产品世界

2.2　接口模块的设计

　　根据SHT11的描述，确定该模块与Avalon所需要的接口信号。通过使用较少的信号来处理读写。系统通过时钟线、数据线和SHT11相连，根据时钟的时序向数据线写命令，SHT11通过数据线输出数据。设计模块的输入信号为：clk，sysclk, n_rest， data_i，data_o，wr，rd, addr。输出信号为：SCK,DATA(DATA是双向数据线)。端口信号的部分说明如下：

　　moduleSHT11(

　　clk,//系统时钟

　　n_rest,//系统复位

　　data_i,//Avalon写数据总线

　　data_o,//Avalon读数据总线

　　wr,//Avalon写请求

　　rd,//Avalon读请求

　　sysclk,//系统时钟

　　addr，//Avalon地址总线

　　SCK,//时钟线输出

　　DATA,//数据输入输出(双向)

　　);

2.3　行为模块的实现

　　行为模块实现的是SHT11的功能。该部分是整个设计的核心，实现对SHT11的控制。设计时必须根据驱动控制的规范以及时序的要求来编写。设计的过程中，信号的控制较为复杂，但在时序逻辑中，这又十分重要。可以设定一系列的寄存器，作为访问硬件的通道[7?8]。

　　根据其驱动规范，不同的命令实现相应的功能。传输开始时，应该发出启动信号。启动信号包括时钟线为高，数据线由高变低，并在下一个时钟线为高的时候将数据线变高。当启动信号开始后，输入相应指令(包含3位地址和5位命令)，通过数据线，确定接收到ACK信号后，表示SHT11已经正确接收命令。待一定的时间后，当数据线由高拉低后开始信号的传输。系统通过确认数据线上的ACK来确定每个字节的传输。数据传输完毕，进行CRC校验。校验完毕后，ACK为高，结束传输。

　　在进行设计时，采用嵌套状态机来实现驱动逻辑。根据驱动控制器的读写命令及读写时序，采取不同状态机来实现，如图2所示。输入命令之后，根据不同的读写请求，进入不同的状态机。

　　图2　状态机

　　通过rd和wr以及地址addr控制数据线的读写。当addr=1wr，则向数据线写数据(data_i)，data_i的输入格式是crc(1位)wr_data(16位)command(2位)，当addr=0wr，进入状态机;当addr=2 amp;rd，从数据线读取数据data_o。

　　设内部寄存器command，根据不同的命令，进入不同的状态机循环：若command为01，通过数据线向寄存器写数据;若command为10，通过数据线从寄存器读数据;若command为其他，则读取数据。当传送8位数据后，需判断双向数据线DATA的ACK信号的高低，当接收到ACK信号时，再根据相应的命令，进行数据的传输。当数据传输完毕后，需要经行CRC校验。图3是仿真时序图，实现向寄存器写数据的功能。

2.4　软件设计

　　该部分可以直接在SOPC Builder 中添加设计好的IP核和Verilog HDL 语言描述的文件,并根据Avalon 总线传输规范设置好相关的信号线，如图4所示。这里要注意，使用的是从端口。完成后,将IP核添加至SOPC中,建立内嵌系统，并编译下载到FPGA 器件中。

　　图3　时序仿真图

　　图4　Avalon接口信号

　　由于在NiosII IDE 环境下可直接编写用户程序,所以可以不用编写驱动程序。在NiosII IDE 环境下,可直接调用函数IOWR (BASE,OFFSET,DATA) 和IORD(BASE ,OFFSET) 对内部寄存器进行读写。Avalon总线在wr和rd的控制下进行读写。

3　测试

　　农业智能大棚(该花卉的适宜温度是18 ℃，适宜湿度是58 RH)，也就是棚内维持在作物适宜生长的温度、湿度等。若有变化，其将会调节相应的外围设备，来保持最佳环境。在大棚中，在测试节点上，SHT11监测实时的温度和湿度，将数据送到nRF24L01，数据通过基站最终到达终端虚拟控制中心。其所获得的数据变化曲线如图5、图6所示。

　　图5　温度随时间的变化曲线图　 图6　湿度随时间的变化曲线图

　结语

　　本文介绍了基于Avalon总线SHT11温湿度传感器自定义IP核的开发流程,利用有限状态机设计了驱动硬件逻辑，并且基于NiosII嵌入式处理器构建了一个用户定制的嵌入式系统。在SOPC中，设计人员可以灵活添加IP核，减轻设计负担，避免重复工作。

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关键词：Avalon总线SHT11温湿度传感器IP核