基于Avalon總線SHT11溫濕度傳感器自定義IP核的開發流程

　　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,//系統時鐘

　　n_rest,//系統復位

　　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

　　行為模塊實現的是SHT11的功能。該部分是整個設計的核心，實現對SHT11的控制。設計時必須根據驅動控制的規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]。

　　根據其驅動規范，不同的命令實現相應的功能。傳輸開始時，應該發出啟動信號。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。系統通過確認數據線上的ACK來確定每個字節的傳輸。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，采用嵌套狀態機來實現驅動邏輯。根據驅動控制器的讀寫命令及讀寫時序，采取不同狀態機來實現，如圖2所示。輸入命令之后，根據不同的讀寫請求，進入不同的狀態機。

　　圖2　狀態機

　　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，進入狀態機;當addr=2 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，進入不同的狀態機循環：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，并編譯下載到FPGA 器件中。

　　圖3　時序仿真圖

　　圖4　Avalon接口信號

　　由于在NiosII IDE 環境下可直接編寫用戶程序,所以可以不用編寫驅動程序。在NiosII IDE 環境下,可直接調用函數IOWR (BASE,OFFSET,DATA) 和IORD(BASE ,OFFSET) 對內部寄存器進行讀寫。Avalon總線在wr和rd的控制下進行讀寫。

　　3　測試

　　農業智能大棚(該花卉的適宜溫度是18 ℃，適宜濕度是58 RH)，也就是棚內維持在作物適宜生長的溫度、濕度等。若有變化，其將會調節相應的外圍設備，來保持最佳環境。在大棚中，在測試節點上，SHT11監測實時的溫度和濕度，將數據送到nRF24L01，數據通過基站最終到達終端虛擬控制中心。其所獲得的數據變化曲線如圖5、圖6所示。

　　圖5　溫度隨時間的變化曲線圖　 圖6　濕度隨時間的變化曲線圖

　　結語

　　本文介紹了基于Avalon總線SHT11溫濕度傳感器自定義IP核的開發流程,利用有限狀態機設計了驅動硬件邏輯，并且基于NiosII嵌入式處理器構建了一個用戶定制的嵌入式系統。在SOPC中，設計人員可以靈活添加IP核，減輕設計負擔，避免重復工作。