基于Avalon總線SHT11溫濕度傳感器自定義IP核的開發(fā)

SOPC(System On a Programmable Chip,可編程芯片系統(tǒng))就是在一個可編程芯片上實現(xiàn)一個電子系統(tǒng)的技術。SOPC是可編程邏輯器件技術和SoC(System on Chip)技術發(fā)展與融合的產物[1?2]。

SOPC的關鍵技術之一就是IP核，也就是知識產權核。所謂的IP核就是指將一些比較復雜的功能模塊，如音頻編/解碼、SDRAM等，設計成可以修改參數的模塊，可以直接調用。實際的SOPC設計過程，用戶常常有特殊的需求，而EDA廠商未提供該IP核。所以，在設計中添加用戶自定義組件顯得特別重要。

1　Avalon總線

SOPC組件通過Avalon交換架構或者Avalon總線連接在一起，SOPC系統(tǒng)的可定制特性要求Avalon總線也具備靈活的可定制特性。Avalon總線是一種協(xié)議較為簡單的同步總線，有其規(guī)范及傳輸模式。

Avalon總線是由Altera公司開發(fā)的一種專用的用于連接SOPC系統(tǒng)組件及從組件的內部連線技術，它是由SOPC Builder自動生成，是一種理想的用于系統(tǒng)處理器和外設之間的內連總線。一般使用的是Avalon從端口。一個典型從端口包含的信號如表1所列。

表1　Avalon從端口信號

Avalon總線使用很少的邏輯資源支持數據總線復用、地址譯碼、產生等待周期和高級交換式總線傳輸。該總線為用戶提供非常友好的接口，屏蔽搭建系統(tǒng)的細節(jié)，減輕了系統(tǒng)搭建的工作量。

2　SHT11自定義IP核的開發(fā)

2.1　SHT11溫濕度傳感器

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的SHTxx系列數字溫濕度傳感器。它是基于先進的CMOSens數字傳感技術，具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。全量程標定，兩線數字接口，大大縮短研發(fā)時間，簡化外圍電路并降低費用。此外，具有體積小、響應迅速、能耗低、可浸沒、抗干擾能力強、溫濕一體的特點，兼有露點測量，性價比高，使該產品能夠適于多種場合的應用。SHT11的高級功能是通過狀態(tài)寄存器來實現(xiàn)的[3]。

圖1為系統(tǒng)結構圖。由圖可知，系統(tǒng)主要分為接口模塊和行為模塊，行為模塊實現(xiàn)芯片的驅動邏輯功能，接口模塊通過內部總線和Avalon總線相連，實現(xiàn)了對行為模塊的控制。利用SOPC Builder建立系統(tǒng)，通過數據線和時鐘線來控制SHT11。其中要加上10 kΩ的上拉電阻。

圖1　系統(tǒng)結構圖

采用自定義IP核的方式，也就是把SHT11看成外部存儲器或者是I/O設備，將其作為從設備連接到Nios II嵌入式處理器的Avalon總線上，系統(tǒng)用訪問I/O設備或者是讀寫寄存器的方式對其進行控制。所以，編寫自定義IP核的時候，根據實體SHT11的時序要求，編寫驅動、接口等，靈活地控制并實現(xiàn)復雜的時序。其中可以按照自己的需求靈活地定義狀態(tài)、標志位、控制位等。設計完成后，獨立添加到SOPC Builder，用戶可以直接使用。該方法比單純利用PIO內核更加節(jié)省處理器的開銷，充分發(fā)揮了處理器的能力[4?6]。

2.2　接口模塊的設計

根據SHT11的描述，確定該模塊與Avalon所需要的接口信號。通過使用較少的信號來處理讀寫。系統(tǒng)通過時鐘線、數據線和SHT11相連，根據時鐘的時序向數據線寫命令，SHT11通過數據線輸出數據。設計模塊的輸入信號為：clk，sysclk, n_rest， data_i，data_o，wr，rd, addr。輸出信號為：SCK,DATA(DATA是雙向數據線)。端口信號的部分說明如下：

moduleSHT11(

clk,//系統(tǒng)時鐘

n_rest,//系統(tǒng)復位

data_i,//Avalon寫數據總線

data_o,//Avalon讀數據總線

wr,//Avalon寫請求

rd,//Avalon讀請求

sysclk,//系統(tǒng)時鐘

addr，//Avalon地址總線

SCK,//時鐘線輸出

DATA,//數據輸入輸出(雙向)

);

2.3　行為模塊的實現(xiàn)

行為模塊實現(xiàn)的是SHT11的功能。該部分是整個設計的核心，實現(xiàn)對SHT11的控制。設計時必須根據驅動控制的規(guī)范以及時序的要求來編寫。設計的過程中，信號的控制較為復雜，但在時序邏輯中，這又十分重要。可以設定一系列的寄存器，作為訪問硬件的通道[7?8]。

根據其驅動規(guī)范，不同的命令實現(xiàn)相應的功能。傳輸開始時，應該發(fā)出啟動信號。啟動信號包括時鐘線為高，數據線由高變低，并在下一個時鐘線為高的時候將數據線變高。當啟動信號開始后，輸入相應指令(包含3位地址和5位命令)，通過數據線，確定接收到ACK信號后，表示SHT11已經正確接收命令。待一定的時間后，當數據線由高拉低后開始信號的傳輸。系統(tǒng)通過確認數據線上的ACK來確定每個字節(jié)的傳輸。數據傳輸完畢，進行CRC校驗。校驗完畢后，ACK為高，結束傳輸。

在進行設計時，采用嵌套狀態(tài)機來實現(xiàn)驅動邏輯。根據驅動控制器的讀寫命令及讀寫時序，采取不同狀態(tài)機來實現(xiàn)，如圖2所示。輸入命令之后，根據不同的讀寫請求，進入不同的狀態(tài)機。

圖2　狀態(tài)機

通過rd和wr以及地址addr控制數據線的讀寫。當addr=1wr，則向數據線寫數據(data_i)，data_i 的輸入格式是crc(1位)wr_data(16位)command(2位)，當addr=0wr，進入狀態(tài)機;當addr=2 amp; amp;rd，從數據線讀取數據data_o。

設內部寄存器command，根據不同的命令，進入不同的狀態(tài)機循環(huán)：若command為01，通過數據線向寄存器寫數據;若command為 10，通過數據線從寄存器讀數據;若command為其他，則讀取數據。當傳送8位數據后，需判斷雙向數據線DATA的ACK信號的高低，當接收到ACK 信號時，再根據相應的命令，進行數據的傳輸。當數據傳輸完畢后，需要經行CRC校驗。圖3是仿真時序圖，實現(xiàn)向寄存器寫數據的功能。

2.4　軟件設計

該部分可以直接在SOPC Builder 中添加設計好的IP核和Verilog HDL 語言描述的文件,并根據Avalon 總線傳輸規(guī)范設置好相關的信號線，如圖4所示。這里要注意，使用的是從端口。完成后,將IP核添加至SOPC中,建立內嵌系統(tǒng)，并編譯下載到FPGA 器件中。