基于Avalon总线SHT11温湿度传感器自定义IP核开发流程

引言

SOPC(System On a Programmable Chip,可编程芯片系统)就是在一个可编程芯片上实现一个电子系统的技术。SOPC是可编程逻辑器件技术和SoC(System on Chip)技术发展与融合的产物[1?2]。

SOPC的关键技术之一就是IP核，也就是知识产权核。所谓的IP核就是指将一些比较复杂的功能模块，如音频编/解码、SDRAM等，设计成可以修改参数的模块，可以直接调用。实际的SOPC设计过程，用户常常有特殊的需求，而EDA厂商未提供该IP核。所以，在设计中添加用户自定义组件显得特别重要。

1　Avalon总线

SOPC组件通过Avalon交换架构或者Avalon总线连接在一起，SOPC系统的可定制特性要求Avalon总线也具备灵活的可定制特性。Avalon总线是一种协议较为简单的同步总线，有其规范及传输模式。

Avalon总线是由Altera公司开发的一种专用的用于连接SOPC系统组件及从组件的内部连线技术，它是由SOPC Builder自动生成，是一种理想的用于系统处理器和外设之间的内连总线。一般使用的是Avalon从端口。一个典型从端口包含的信号如表1所列。

表1　Avalon从端口信号

Avalon总线使用很少的逻辑资源支持数据总线复用、地址译码、产生等待周期和高级交换式总线传输。该总线为用户提供非常友好的接口，屏蔽搭建系统的细节，减轻了系统搭建的工作量。

2　SHT11自定义IP核的开发

2.1　SHT11温湿度传感器

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的SHTxx系列数字温湿度传感器。它是基于先进的CMOSens数字传感技术，具有极高的可靠性和长期稳定性。全量程标定，两线数字接口，大大缩短研发时间，简化外围电路并降低费用。此外，具有体积小、响应迅速、能耗低、可浸没、抗干扰能力强、温湿一体的特点，兼有露点测量，性价比高，使该产品能够适于多种场合的应用。SHT11的高级功能是通过状态寄存器来实现的[3]。

图1为系统结构图。由图可知，系统主要分为接口模块和行为模块，行为模块实现芯片的驱动逻辑功能，接口模块通过内部总线和Avalon总线相连，实现了对行为模块的控制。利用SOPC Builder建立系统，通过数据线和时钟线来控制SHT11。其中要加上10 kΩ的上拉电阻。

图1　系统结构图

采用自定义IP核的方式，也就是把SHT11看成外部存储器或者是I/O设备，将其作为从设备连接到Nios II嵌入式处理器的Avalon总线上，系统用访问I/O设备或者是读写寄存器的方式对其进行控制。所以，编写自定义IP核的时候，根据实体SHT11的时序要求，编写驱动、接口等，灵活地控制并实现复杂的时序。其中可以按照自己的需求灵活地定义状态、标志位、控制位等。设计完成后，独立添加到SOPC Builder，用户可以直接使用。该方法比单纯利用PIO内核更加节省处理器的开销，充分发挥了处理器的能力[4?6]。

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=1&&wr，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=0&&wr，进入状态机;当addr=2&&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。