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智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)專用CPU設(shè)計

作者: 時間:2013-04-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:是近年逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù),目前國內(nèi)大多以單片機、通用計算機作為溫室系統(tǒng)處理器,由于基于單因子和成本問題,其智能化和效率有待提高。在此通過對目前控制器的分析研究,提出并設(shè)計了一款16位的的單總線專用,且專門針對于設(shè)計了一個浮點運算器和n個Comparray比較器,并使用VHDL語言在QuartusⅡ6.0中進(jìn)行設(shè)計與仿真。所以,該不但具有通用的基本特性,而且更具有在農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)領(lǐng)域的特殊性。
關(guān)鍵詞:;專用CPU;Comparvay比較器;VHDL語言

溫室的工作原理就是根據(jù)溫室內(nèi)外裝設(shè)的各種傳感設(shè)備采集或監(jiān)測信息,然后傳遞給處理設(shè)備進(jìn)行分析與處理后,控制其執(zhí)行機構(gòu)對溫室的進(jìn)行自動調(diào)節(jié)與控制,以達(dá)到為作物的生長發(fā)育創(chuàng)造最佳條件的目的。

1 目前智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)控制器分析
由于處理器核心技術(shù)的不斷進(jìn)步,溫室控制系統(tǒng)處理器的處理能力也在飛速發(fā)展,種類也在不斷增多。資料顯示,目前的溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,在核心處理器的選擇上,主要采用以下幾種:
(1)工業(yè)控制機
在這種溫室控制系統(tǒng)中其核心處理器是以工業(yè)控制機為中心的。其余2個模塊:一個主要由用于環(huán)境因子采集的各類傳感器組成;另一個模塊主要由各種執(zhí)行機構(gòu)組成。控制系統(tǒng)的主要特點是多輸入和多輸出閉環(huán)控制,所以硬件的開發(fā)量比較小,軟件組態(tài)方面也比較方便,市場很容就能夠買到所需要的硬件及軟件。工業(yè)控制機的一個顯著的特點是具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口,因此很容易實現(xiàn)溫室的群控和網(wǎng)絡(luò)化。其缺點是:一方面是成本較高,因為工業(yè)控制機及相應(yīng)的組態(tài)軟件都需要購買;另一方面是集中控制,如果核心的工控機發(fā)生了故障,那么將導(dǎo)致整個系統(tǒng)運行遭到破壞。而且在這種以工控機做為控制器的結(jié)構(gòu)中,在進(jìn)行系統(tǒng)的布線時由于多入多出結(jié)構(gòu)的特點,線路鋪設(shè)相當(dāng)復(fù)雜,如果出現(xiàn)了問題在維護起來也十分不方便。
(2)單片機
在這種控制系統(tǒng)中其性能的好壞主要由所選用的單片機所決定。其主要特點是單片能夠?qū)θ汁h(huán)境進(jìn)行控制和管理,對使用者的素質(zhì)要求不是很高,操作起來也十分容易,而且投資成本較低。但是在系統(tǒng)搭建時其線路的鋪設(shè)十分復(fù)雜,出現(xiàn)故障的幾率也是相當(dāng)?shù)母撸虼讼到y(tǒng)的可靠性必然受到影響;一般還是通過模擬量或開關(guān)量進(jìn)行信號的輸入、輸出,自動化程度比較低。
(3)可編程邏輯控制器
可編程邏輯控制器是一種通用的自動控制裝置。這種裝置的主要特點就是將傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和先進(jìn)的計算機技術(shù)、通信技術(shù)等融為一體。運算能力方面能夠進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運算和算術(shù)運算。其控制能力方面相對較強,對于溫室環(huán)境系統(tǒng)來說,它能夠滿足長期連續(xù)的工作和高效率的控制需求;在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,因此可靠性比較高;在操作方面,比較靈活,而且操作方法比較簡單。缺點是不能獨立進(jìn)行控制需要和上位機進(jìn)行聯(lián)合,因此在資金投入方面很大,普通的農(nóng)業(yè)用戶在經(jīng)濟能力上無法承受。
(4)嵌入式控制器
嵌入式控制器是由通用CPU演化而來的,隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴展。再加上其“專用”的特點,在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用在日趨增多。

2 專用CPU的設(shè)計
雖然微處理器的技術(shù)在飛速的發(fā)展,處理能力也在不斷的增強,從4、8、16、32至64位,但通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),16位的微處理器經(jīng)歷了這么多年的發(fā)展之后,生命力依然十分旺盛,在市場上具有相當(dāng)高的占有率。與從16位機迅速的向32位、64位過渡的通用的計算機相比,16位微控制器從誕生至今,雖歷經(jīng)了從單片微型計算機到微控制器、微控制器到SoC的變遷,但在嵌入式領(lǐng)域16位機依然是中低端應(yīng)用的一種主要機型,而且在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi),這個勢頭仍然會持續(xù)下去。因為這是由嵌入式系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)的完全不同的應(yīng)用特性決定的,所以其技術(shù)發(fā)展道路走向是完全不同的。根據(jù)智能溫室測控系統(tǒng)的特點,在最大限度地滿足數(shù)據(jù)的采集、控制、可靠性和低功耗等品質(zhì)的要求下,16位機具有很強的速度潛力,因此本所設(shè)計的專用CPU為16為CPU。作為智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的專用CPU,一方面它和通用的CPU相比具有很多的共同特性,另一方面具有它在農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)領(lǐng)域的特殊性。
2.1 專用CPU的組成結(jié)構(gòu)
圖1是一個16位的采用了RISC思想的單總線CISC CPU處理器結(jié)構(gòu)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/192808.htm

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此CPU單獨設(shè)置了一個8段的流水FLOAT(浮點型運算器)、一個ALU(定點運算器)、一個PcCount(程序計算器)、一個InstrReg(指令寄存器)一個Shift(移位運算器)、一個ComP(單比較器)、一個Compn(比較器組、n為可擴充)、一個Controller(控制單元)、一個AddrReg(地址寄存器)和八個.Reg0…Reg7(16位寄存器組),它們共用一組16位的三態(tài)數(shù)據(jù)總線。其工作流程和通用CPU相同,不同的專用寄存器保存指定的內(nèi)容,指令的執(zhí)行分順序和轉(zhuǎn)移兩種方式。
該結(jié)構(gòu)中有專門針對于智能溫室測控系統(tǒng)而設(shè)計的一個浮點運算器和n個Comparray比較器。一方面由于本智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的一個很重要的功能就是硬件實現(xiàn)智能控制方法,同時運算模塊主要對由采集模塊所采集的環(huán)境因子進(jìn)行比較分析和處理,而所采集數(shù)據(jù)通常是浮點數(shù),所以本文在CPU的運算單元中增加了單獨的浮點運算器;另一方面因為在智能溫室測控系統(tǒng)中要隨時對溫度、濕度、CO2濃度等數(shù)據(jù)與作物生長的最佳值比較,如果數(shù)值超越了警戒線,就要采取措施。為了提高處理速度,方便比較,該結(jié)構(gòu)中放置了比較器組,會把最常用的值在不同的比較器中固化,不但節(jié)省了取操作數(shù)的環(huán)節(jié),而且也節(jié)省了時間。


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