基于NiosⅡ的遠程家電控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

邵黎陽 黃海興 劉奇石

【摘要】本設計用Altera公司的嵌入式處理器作為智能控制軟核，并結(jié)合TC53i短信接收模塊，通過調(diào)制解調(diào)器命令語言實現(xiàn)對家用電器的遠程控制。在本設計中，可以對現(xiàn)場環(huán)境溫濕度進行采集;手機可以和TC35i通信模塊實時通話，并通過發(fā)送設定好的短信息指令可以實現(xiàn)、電水杯的開啟與關(guān)閉等功能。還可以將當時的現(xiàn)場環(huán)境條件狀態(tài)通過短信的形式發(fā)送到指定的手機中，達到對操作的結(jié)果了如指掌的目的。

【關(guān)鍵詞】嵌入式處理器;TC35i通信模塊;遠程控制

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，家電的智能化和數(shù)字化也應運而生。因此，我們利用NiosII技術(shù)設計了一個遠程控制模塊，以實現(xiàn)家用電器的智能化。它使得人們可以通過手機或者互聯(lián)網(wǎng)在任何時候，任何地點對家中的各種電器進行遠程控制。

1.系統(tǒng)方案介紹

本設計利用FPGA平臺的Nios II軟核處理器，調(diào)用4個IP core，其中3個為通用IO接口，剩下的一個為異步串行通訊接口。以上所有IP core的管腳均需通過SOPC Builder文件定義，否則將無法與FPGA實際外部管腳相連。由于電熱杯的驅(qū)動電流較大，F(xiàn)PGA的輸出電流無法將其直接開啟，故需在電熱杯與FPGA之間加入以驅(qū)動電路以實現(xiàn)功能。驅(qū)動電路采用繼電器作為控制器件，可以控制交變電壓220V下的電器，從而實現(xiàn)低壓器件控制高壓器件的目的。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計方案

2.硬件設計

2.1 FPGA_Cyclone_III_ EP3C16下載板

本設計采用搭載Altera公司推出的Cyclone III系列芯片EP3C16Q240C8N芯片作為核心處理器的EP3C16Q240C8N-FPGA/Nios II開發(fā)板進行設計。具有電源和時鐘設計完善;性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊美觀;板上乘載資源、周邊接口較多，可擴展性強;板上器件調(diào)試方便，配置容易;擴展靈活等特點[1]。

2.2 TC35i短信模塊

TC35i是德國SIEMENS（西門子）公司的一款雙頻900/1800MHz高度集成的GSM模塊[2]。它設計小巧、功耗很低，可以為很多通信應用提供經(jīng)濟高效的解決方案。本設計采用RS232的UART通信模式與FPGA下載板進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 驅(qū)動電路

本設計采用家用電器（電熱杯）作為控制對象，利用繼電器來控制，而繼電器本身對于FPGA芯片而言就是一個功率器件，因此這個驅(qū)動電路就顯得尤為重要。電路如圖2所示。在驅(qū)動電路中加入二極管要起到保護三極管等驅(qū)動元件的目的。當三極管的控制端，即FPGA的控制I/O管腳電平由高變低時，流經(jīng)繼電器線圈的電流將迅速減小，這時線圈會產(chǎn)生很高的自感電動勢，與電源電流方向同向產(chǎn)生疊加，其電壓將加在c、e級兩端，會使三極管擊穿。采用8050三極管驅(qū)動繼電器動作;并聯(lián)上二極管后，即可將繼電器線圈中的自感電動勢限制在二極管的正向?qū)妷簝?nèi)，此時二極管壓降為0.7V（硅管），從而達到避免擊穿三極管的目的。

圖2 繼電器原理圖

NPN型三極管8050的集電極最大電流為1.5A，其滿足電熱杯的額定工作電流1.36A，經(jīng)測試，此電路未發(fā)現(xiàn)異常。

3.軟件設計

Nios Ⅱ軟核內(nèi)部采用32位指令和數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部有32個通用寄存器和32個外部中斷源;使用同樣的指令集架構(gòu)（ISA），100%二進制代碼兼容，設計者可以根據(jù)系統(tǒng)需求的變化更改CPU，且開發(fā)人員可以在Nios ⅡCPU 核內(nèi)增加硬件，用以執(zhí)行復雜運算任務，為時序要求緊張的軟件提供加速算法。[3]

3.1 Nios II嵌入式處理器設計

在Quartus下的SOPC Builder中建立軟核。設計軟核處理器時，CPU選用功能比較豐富的Nios II/f型，建立本設計所需的I/O軟核，選用數(shù)據(jù)為16位的動態(tài)隨機存儲器SDRAM，波特率為9600bps的串口（UART），JTAG UART以及EPCS Flash控制器。

圖3 軟核處理器原理圖

3.2 系統(tǒng)控制軟件流程圖

軟件流程圖如圖4所示，首先調(diào)用初始化函數(shù)對Nios II和液晶模塊進行初始化。對于液晶顯示器，初始化是必要的步驟，否則不能使用。在整個系統(tǒng)軟件的運行過程中，主要由三個判斷部分組成。每個部分都需要通過Nios II與AT命令配合使用，而AT命令需通過UART傳送到TC35i短信模塊中運行。故這三個判斷部分是整個系統(tǒng)軟件成功運行的關(guān)鍵所在。

3.3 模塊連接部分程序

本部分函數(shù)主要實現(xiàn)系統(tǒng)開機時的自動連接功能。當開發(fā)板上電時，會不斷從開發(fā)板的串口發(fā)送字符串“AT”。如果當TC35i短信模塊與開發(fā)板連接成功，其會通過串口回復字符串“OK”。當開發(fā)板接收到回復的字符串時，會對其進行判斷。如果接收到的字符串為“OK”時，通過液晶顯示“GSM...”，并給手機回發(fā)短信息“GSM is ok”示意連接成功，系統(tǒng)程序進入下一循環(huán)。如果沒有收到字符串“OK”，程序循環(huán)，直到成功接收到字符串“OK”方可跳出循環(huán)。具體程序如下。

void send_message（void）

{ ?/////////////////////發(fā)送短信部分

pu8Ptr = u8GsmStr6; ? ? ? //AT+CMGS="+8615600157929"

UartSendMultiByte（pu8Ptr， 25）;

Delay_ms（250）;

pu8Ptr = u8GsmStr15;//短信內(nèi)容

UartSendMultiByte（pu8Ptr，13）;

Delay_ms（250）;

UartSendByte（0x1A）;

Delay_ms（100）;

UartSendByte（0x1D）;

UartSendByte（0x0A）;

for（numb=0;numb<100;numb++）

{

Delay_ms（100）;

}

圖4 軟件流程圖

3.4 短信判斷部分程序

本部分函數(shù)主要實現(xiàn)判斷接收到的短信內(nèi)容，并根據(jù)不同的內(nèi)容跳轉(zhuǎn)到不同的循環(huán)，從而實現(xiàn)諸如打開電熱杯、關(guān)閉電熱杯、點亮發(fā)光二極管與熄滅發(fā)光二極管的功能。在開發(fā)板與TC35i短信模塊連接正常的前提下，短信模塊在接收到字符串“+CMGS： 1”，68表示接收到的第1條信息。

void send_wenshidu（void）

{ ?/////////////////////發(fā)送短信部分

pu8Ptr = u8GsmStr6; ? ? ? ? ?//AT+CMGS=”+8615600157929”

UartSendMultiByte（pu8Ptr， 25）;

Delay_ms（250）;

pu8Ptr = u8GsmStr5; ? //短信內(nèi)容

UartSendMultiByte（pu8Ptr， 9）;

UartSendByte（（u8DHT11Data[0]/10）+ 48）; //C

UartSendByte（（u8DHT11Data[0]%10）+ 48）;

UartSendByte（‘%）;

pu8Ptr = u8GsmStr7; ? //短信內(nèi)容

UartSendMultiByte（pu8Ptr， 9）; //UartSendByte（u8Temperature）;

UartSendByte（（u8DHT11Data[2]/10）+ 48）; //C

UartSendByte（（u8DHT11Data[2]%10）+ 48）;

UartSendByte（‘c）;

Delay_ms（250）;

UartSendByte（0x1A）;

Delay_ms（100）;

UartSendByte（0x1D）;

UartSendByte（0x0A）;

for（numb=0;numb<100;numb++）

{

Delay_ms（100）;

}

4.系統(tǒng)實現(xiàn)

將TC35i短信模塊通過串行總線與EP3C16可編程片上系統(tǒng)開發(fā)板相連，外圍電路板按預留接口連接完畢后，分別給TC35i和開發(fā)板接通電源。短暫等待后，可以觀察到液晶顯示出現(xiàn)如圖5所示的圖像，證明TC35i短信模塊已經(jīng)和EP3C16可編程片上系統(tǒng)開發(fā)板連接成功。連接成功后就可以向短信模塊發(fā)送控制信息，控制代碼有如下兩種，其意義分別為：OPEN將電熱杯打開;CLOSE將電熱杯關(guān)閉。由于“OPEN”與“CLOSE”兩種指令功能基本相同，故在此只說明“OPEN”指令的實現(xiàn)。首先系統(tǒng)采集周圍環(huán)境的溫濕度，GSM初始化并在液晶上顯示。通過手機向TC35i短息模塊發(fā)送內(nèi)容為“OPEN”的短息之后，液晶會顯示接收短信，如圖6所示。接收短信后，繼電器打開的同時液晶顯示工作狀態(tài)“turn on”。整個系統(tǒng)收到指令“OPEN”時，電熱杯開始工作。幾秒鐘后，手機會收到來自TC35i短信模塊的信息回復當前的環(huán)境溫濕度，如圖7所示。根據(jù)課題要求，整體功能實現(xiàn)如圖8所示。

5.結(jié)束語

本系統(tǒng)具有通過手機控制外圍硬件的能力?？梢酝ㄟ^手機發(fā)送的控制信息與TC35i短信模塊通信，其短信內(nèi)容經(jīng)RS232串行總線傳輸?shù)紽PGA芯片，在其中進行數(shù)據(jù)分析，使不同的短信內(nèi)容實現(xiàn)不同的功能，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)外圍電器進行控制。可以將控制結(jié)果和周圍環(huán)境溫濕度通過液晶顯示器顯示出來，并且可以在控制完成后給指定手機返回信息、報告控制情況和現(xiàn)場環(huán)境狀況，完成指定功能。嵌入式處理器發(fā)展前景廣闊，GSM通信網(wǎng)絡雖然不是目前最新的通信體系，但市場占有率依然巨大，二者結(jié)合體現(xiàn)了各自的優(yōu)勢，相信在今后的智能家電的舞臺上，會越來越多看到它們的身影。

參考文獻

[1]www.Altera.com.

[2]TC35i開發(fā)手冊.

[3]郝建國，倪德克，鄭燕，等編著.基于Nios II內(nèi)核的FPGA電路系統(tǒng)設計[M].電子工業(yè)出版社，2010，4.

[4]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎（第4版）[M].北京高等教育出版社，2006.5.

[5]張鳳英，王剛.基于ARM7和GSM的短信息家電遠程控制系統(tǒng)設計[J].山西大同大學學報（自然科學版），2008，10.

[6]John G.Proakis.Digital Communications（Fifth Edition）.Publishing House of Electronics Industry.2009，5.