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引言 近年來(lái)，隨著(zhù)人們對生活品質(zhì)的追求，每個(gè)家庭都越來(lái)越需要一個(gè)集控中心把家庭中的各種家電連接起來(lái)，并實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)、控制以及自動(dòng)監測報警功能。網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展使這一想法成為了現實(shí)，然而大多數管理系統都是基于功能強大的PC機。近幾年，嵌入式技術(shù)迅猛發(fā)展，逐步開(kāi)始成熟，盡管無(wú)法實(shí)現PC機那樣強大的功能，但其低成本、低功耗、體積小等優(yōu)勢都是PC機無(wú)法比擬的，尤其是價(jià)格因素，更是一個(gè)便于推廣的亮點(diǎn)。因此，嵌入式產(chǎn)品作為控制終端也將有機會(huì )成為發(fā)展的趨勢。 1 Actel數模結合FPGA介紹 Actel公司的Fusion系列FPGA是基于ProASIC3／E的系列芯片，具有Flash架構的FPGA所有特點(diǎn)，如高安全性、高可靠性、單芯片、上電即行、非易失性、低功耗等；具有4 Mb的用戶(hù)可用Flash、1 Kb的內部Flash、108 Kb的RAM；2個(gè)PLL最高頻率可達350 MHz；支持多種I／O電平標準，其中差分的I／0標準有LVPECL、LVDS、BLVDS、M—LVDS；具有AES、FlashLock加密技術(shù)。另 外，集成了獨特的模擬部分： ◆具有分辨率高達12位、采樣率高達600 ksps、30個(gè)輸入通道、2．56 V內部參考源的A／D轉換器； ◆高達30個(gè)模擬的輸入I／O，可以承受±12 V輸入電壓，并有10個(gè)MOSFET門(mén)驅動(dòng)輸出，驅動(dòng)能力可調； ◆可實(shí)現電壓、溫度、電流檢測； ◆片內集成100 MHz、精度為1％的RC振蕩器； ◆外部可接32 kHz～20 MHz的晶振； ◆具有可編程的實(shí)時(shí)計數器(RTC)； ◆片內具有1．5 V穩壓源，可提供內核電壓，實(shí)現睡眠和待機的低功耗模式。 2 實(shí)現原理及系統結構 系統采用Fusion開(kāi)發(fā)平臺為主控器，在片內嵌入8051軟核的方式，對系統進(jìn)行控制和管理。該系統內部嵌入2個(gè)8051軟核，有效地將管理、控制和檢測分開(kāi)，其兩核之間在內部通過(guò)并行I／O通信，使用“仿打印機協(xié)議”通信；在一個(gè)IP核擴展了MiniISA總線(xiàn)，通過(guò)并行總線(xiàn)擴展了32 KB SRAM、LCD接口和82C55接口，實(shí)現了打印機控制和紅外遙控接收；通過(guò)電話(huà)模塊CR6269A和網(wǎng)絡(luò )模塊ZNE一100T將電話(huà)信息和網(wǎng)絡(luò )信息轉成串口數據，對家電進(jìn)行遠程控制；模擬I2C總線(xiàn)接口擴展了PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、E2PROM存儲器AT24C256芯片以及ZLG7290串行顯示器／鍵盤(pán)控制器，以獲取準確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、相關(guān)參數，并實(shí)現系統信息的存儲、4×4鍵盤(pán)動(dòng)態(tài)掃描控制；擴展數字溫度傳感器DSl8820用于對室溫進(jìn)行測量；在片內擴展了4路A／D，實(shí)現對家庭參數(煙霧濃度、燃氣濃度、交流電壓和交流電流)的測量。系統結構框圖如圖1所示。 
3 系統硬件設計 3．1 MiniISA總線(xiàn)擴展板 MiniISA總線(xiàn)擴展板主要用于各種并行總線(xiàn)器件及I2C器件的擴展。其中包括： 82C55并行I／O擴展、LCD接口、ZLG7290串行鍵盤(pán)／顯示器接口、PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口、AT24C256接口等。Mi—niISA總線(xiàn)接口如圖2所示。
3．1．1 外設地址選擇與分配 系統通過(guò)可編程邏輯陣列器件GAL16V8實(shí)現基地址的選擇與分配。MiniISA總線(xiàn)接口尋址空間為256字節，其中高4位(A4～A7)為板卡基地址，通過(guò)4個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行基地址的設置；低4位為該ISA板的接口地址，A2、A3用于板上外擴芯片的地址選擇，每個(gè)外設的尋址空間為4字節。板卡基地址 base(高4位)由SA7、SA6、SA5、SA4決定，A3、A2對板卡上外設進(jìn)行片選，地址分配如表1所列。
3．2．2板卡資源介紹 (1)82055并行I／O擴展 可編程并行接口82C55是一款具有2個(gè)8位(A口和B口)和2個(gè)4位(C口高／低4位) 并行I／O端口的接口芯片，接口可編程，I／O端口控制功能強。芯片接口地址如表2所列。 該設計中82C55主要用于控制打印機的輸入與輸出，其接口電路如圖3所示。
(2)漢字微型打印機擴展 漢字微型打印機為針式打印機。如圖3所示，打印機數據線(xiàn)與82C55的PA口相接，PA口設置為輸出；忙線(xiàn)(BUSY)和選通線(xiàn)(STB)分別與PC7、 PCO相接。82C55的PC口高4位I／O口設置為輸入，低4位I／O口設置為輸出。 (3)串行鍵盤(pán)顯示器控制器ZLG7290 ZLG7290是串行I2C總線(xiàn)的一款鍵盤(pán)／顯示器控制器，最多可以擴展8×8鍵盤(pán)和64個(gè)LED。在MiniISA總線(xiàn)擴展板中將所有接口引出，電路如圖4所示，而在本設計中只使用的4×4的鍵盤(pán)，用于界面操作。
(4)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563 擴展PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，用于獲取準確時(shí)間用于時(shí)間的顯示。PCF8563是Philips公司推出的一款工業(yè)級、內含I2C總線(xiàn)接口功能、具有極低功耗的多功能時(shí)鐘／日歷芯片。工作電流為O．25μA，采用O．1F電容供電；斷電情況下，仍可正常工作10～13天。 (5)串行E2PROM AT240256 AT24C256是串行I2C總線(xiàn)的一款E2PROM，存儲空間為32 KB，主要用于報警參數、密碼、紅外代碼以及相關(guān)產(chǎn)品信息的存儲。 3．2 電話(huà)模塊CR6269A CR6269A 電話(huà)模塊可實(shí)現自動(dòng)電話(huà)應用所需的全部功能：電話(huà)接口、摘機電路、振鈴識別、FSK來(lái)電號碼接收、電話(huà)信號音識別、DTMF收發(fā)、多段數碼語(yǔ)音、多和弦音樂(lè )和鈴聲、免提擴音、用戶(hù)語(yǔ)音輸入和電話(huà)語(yǔ)音輸出、2路遙控驅動(dòng)輸出。所有硬件的底層控制均由模塊內MCU完成，用戶(hù)通過(guò)一標準RS232接口完成指令和數據通信，功能強大且應用非常簡(jiǎn)便，只需接入5V電源、電話(huà)線(xiàn)、串口線(xiàn)即可使用。 3．3 網(wǎng)絡(luò )模塊ZNT一100T ZNT一100T網(wǎng)絡(luò )模塊是周立功公司開(kāi)發(fā)的一款嵌入式網(wǎng)絡(luò )模塊。它內部集成了TCP／IP協(xié)議棧、10M以太網(wǎng)接口，串口TTL電平方式，波特率為 300～115 200 bps，提供5個(gè)可控制I／O，可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)控制或TCP控制控制端口任意設定。表3為ZNE一100T接口說(shuō)明。本設計中，利用該模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )控制。
3．4 交流電檢測電路 本設計，采用DVDI—001電壓／電流互感器對交流電的電壓、電流進(jìn)行采樣，然后通過(guò)精密整流電路進(jìn)行整流，采用RC濾波，最終變?yōu)镺～5 V電壓進(jìn)入FPGA的A／D測量端。 (1)作為電壓互感器使用 DVDI—001作電壓互感器使用時(shí)是一種電流型電壓互感器。電壓采樣電路如圖5所示。根據電路的實(shí)際情況，將Rr的阻值選為5 kΩ，CO選為O．1μF。因為電流的感應是1：l，所以Rr選為5 kΩ；同時(shí)也要注意不要讓負載超過(guò)互感器的范圍。這樣，就可以安全地得到所需要的幅值范圍。
(2)作為電流互感器使用 DVDI—001作電流互感器應用時(shí)，用戶(hù)只需在中心孔內穿1匝母線(xiàn)作為輸入線(xiàn)圈。電流采樣電路如圖6所示。由于電流的感應比是3 000：1，所以電路中的負載是很小的，所以根據電路的實(shí)際情況將Rr的阻值選為5 kΩ，CO選為0．22μF。這樣，就可以安全地得到所需要的幅值范圍(0～5 V)。 3．5 溫度檢測 數字溫度傳感器DSl8B20具有與CPU接口方便、直接數字量輸出等優(yōu)點(diǎn)，可提供12位(二進(jìn)制)溫度讀數指示器件的溫度信息。經(jīng)過(guò)單線(xiàn)接口送入 DSl8820或從DSl8B20送出，因此從主機CPU到DSl8820僅需一條線(xiàn)。室內溫度檢測采用數字溫度傳感器，其電路如圖7所示。
4 雙核通信 系統采用主從式架構，主核發(fā)送命令，從核響應，共同完成對外圍設備的控制和管理。其中，COREl作為主核，外擴了32 KB的SRAM，主要通過(guò)MiniISA總線(xiàn)與外界通信；CORE2作為從核，通過(guò)I／O與外部通信。COREl、CORE2在結構上是相對獨立的，雙核采用仿打印機協(xié)議進(jìn)行通信，二者以I／O口相接(并行數據線(xiàn)8位，控制線(xiàn)2位)。雙核通信接口如圖8所示，接口引腳定義如表4所列。
系統在每一個(gè)核中，都開(kāi)辟了一個(gè)16字節的緩存，用于存儲接收到的數據。其發(fā)送格式為：
從設備地址如表5所列。 5 軟件設計 5．1 系統主程序流程 系統內部具有雙核，每個(gè)內核單獨執行程序。主程序流程如圖9所示。
5．2 雙核通信流程 雙核通信采用讀忙線(xiàn)發(fā)送、中斷接收的方式，增強了數據發(fā)送的可靠性，如圖10所示。
結語(yǔ) 本文利用Actel公司最新Fusion系列數模結合的FPGA實(shí)現了遠程家電控制，保證了多CPU環(huán)境下通信的協(xié)調與穩定。本文創(chuàng )新點(diǎn)：采用數模結合的 FPGA，內嵌2個(gè)8051 IP軟核，主核通過(guò)擴展MiniISA總線(xiàn)實(shí)現數據處理和系統管理，從核直接用于參數的采集和控制，且參數采集所用的A／D轉換器均為12位的片內 A／D。 參考文獻 1. 譚浩強 C 語(yǔ)音程序設計 1999 2. 馬忠梅 單片機的C語(yǔ)言應用程序設計 2007 3. 周立功 Actel FPGA實(shí)驗教程 2008 4. 樓然苗.李光飛 51 系列單片機設計實(shí)例 2006 作者：中國海洋大學(xué) 劉堅強 李鵬 王永才 王璇 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2008 (12) |
