基于SoPC的“電子系統(tǒng)設(shè)計”課程實驗教學案例設(shè)計

摘"要：利用FPGA構(gòu)建了SoPC，移植了uC/OSII操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于無刷直流電機的小風扇轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計；利用DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度，根據(jù)環(huán)境溫度自動控制電機的轉(zhuǎn)速；利用HCSR04超聲波模塊測量物體距離，實現(xiàn)了物體接近風扇到8cm距離時，無刷直流電機自動限速，同時蜂鳴器報警；利用SU03T語音識別模塊實現(xiàn)了語音控制電機轉(zhuǎn)速；通過FPGA與STM32F103C8T6單片機控制的WiFi模塊串口通信，實現(xiàn)將環(huán)境溫度、風扇轉(zhuǎn)速、距離報警信號、電機旋轉(zhuǎn)方向數(shù)據(jù)上傳到阿里云。

關(guān)鍵詞：SoPC；uC/OSII；無刷直流電機；語音識別；阿里云

中圖分類號：TP241.3

Design"of"Experimental"Teaching"Cases"for

\"Electronic"System"Design\""Course"Based"on"SoPC

Dong"Sheng"Zhao"Ying"Meng"Xiang"Xing"Liyun"Jia"Yanfei

School"of"Electrical"and"Information"Engineering，Beihua"University"JilinJilin"132021

Abstract：A"SoPC"was"constructed"using"FPGA，and"the"uC/OSII"operating"system"was"ported"to"achieve"the"hardware"and"softwarenbsp;design"of"a"small"fan"speed"intelligent"control"system"based"on"brushless"DC"motor；Using"DS18B20"temperature"sensor"to"collect"ambient"temperature"and"automatically"control"the"motor"speed"based"on"the"ambient"temperature；By"using"the"HCSR04"ultrasonic"module"to"measure"the"distance"between"objects，it"has"been"achieved"that"when"an"object"approaches"the"fan"to"a"distancenbsp;of"8cm，the"brushless"DC"motor"automatically"limits"its"speed"and"the"buzzer"sounds"an"alarm；The"SU03T"speech"recognition"module"was"used"to"achieve"voice"control"of"motor"speed；Through"serial"communication"between"FPGA"and"STM32F103C8T6"microcontroller"controlled"WiFi"module，environmental"temperature，fan"speed，distance"alarm"signal，and"motor"rotation"direction"data"can"be"uploaded"to"Alibaba"Cloud.

Keywords：SoPC；uC/OSII；Brushless"DC"Motor；Voice"Recognition；Alibaba"Cloud

本文對本科電子信息工程專業(yè)“電子系統(tǒng)設(shè)計”課程的實驗教學項目進行了研究，實驗課程總學時8學時，要求學生分組完成環(huán)境溫度采集、直流無刷電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計與實物調(diào)試，完成系統(tǒng)設(shè)計與實物驗收考核，撰寫實驗報告［1］。

實驗的教學目標是解決環(huán)境溫度的實時采集、直流無刷電機轉(zhuǎn)速的智能控制以及阿里云平臺無線傳輸數(shù)據(jù)問題，傳授學生利用單片機、SoPC、uC/OSII、VerilogHDL編程技術(shù)，實現(xiàn)串口通信、WiFi通信、PWM控制功能；鍛煉學生的電路設(shè)計、程序調(diào)試、設(shè)備使用與電路故障診斷能力，培養(yǎng)學生進行電子系統(tǒng)設(shè)計與解決工程實際問題的能力［1］。

1"智能小風扇轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能小風扇轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)PGA開發(fā)平臺采用實驗室常見的DE270多媒體開發(fā)板［2］，構(gòu)建SoPC片上可編程系統(tǒng)，移植uC/OSII實時操作系統(tǒng)，編寫C語言程序?qū)崿F(xiàn)多任務調(diào)度以及任務之間的通信。

系統(tǒng)實現(xiàn)下述功能：

（1）構(gòu)建基于NIOSII的SoPC片上系統(tǒng)［3］；

（2）建立uC/OSII多任務實時采集、顯示、傳輸環(huán)境溫度，測溫范圍-10℃～+85℃，精度±0.5℃［4］，實現(xiàn)超溫聲音報警；

（3）驅(qū)動型號為R2418CE、參數(shù)為DC12V4500RPM的直流無刷電機［5］，根據(jù)環(huán)境溫度改變電機轉(zhuǎn)速，溫度越高，轉(zhuǎn)速越快，實時測量與顯示風扇轉(zhuǎn)速；

（4）實現(xiàn)基于超聲波測距原理的物體異常接近，風扇轉(zhuǎn)速限速控制功能，測距范圍3～200cm，誤差在1cm范圍內(nèi)［6］；

（5）與阿里云通信實時上傳溫度值、風扇轉(zhuǎn)速值、距離報警信號、電機旋轉(zhuǎn)方向數(shù)據(jù)；

（6）識別非特定人的語音指令，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的三檔語音控制。

2"系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1"超聲波測距、聲光報警、距離顯示模塊電路設(shè)計

利用VerilogHDL編程驅(qū)動HCSR04模塊實現(xiàn)超聲波測距、聲光報警及距離顯示功能，電路見圖2。echo和trig連接到超聲波測距模塊HCSR04的對應端口［7］，out_range_buzz連接到蜂鳴器距離報警電路，seg連接到DE270開發(fā)板的LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路，out_range_led分別連接到DE270開發(fā)板的LED紅色指示燈和NIOSII處理器AVALON總線的距離報警輸入端口pio_outrange_in［2］。

2.2"PWM驅(qū)動模塊設(shè)計

利用VerilogHDL編程實現(xiàn)了直流電機驅(qū)動模塊電路。duty端口連接到NIOSII處理器PWM占空比輸出端口，pwm_out端口連接到直流無刷電機的PWM信號輸入端口，PWM信號頻率范圍控制在15～25kHz范圍內(nèi)［5］。

2.3"測速模塊設(shè)計

利用VerilogHDL編程實現(xiàn)了電機測速模塊電路。pulse_in端口連接到直流無刷電機的速度反饋輸出信號端口；seg_data端口連接到DE270開發(fā)板的LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路，顯示轉(zhuǎn)速值；speed_out端口連接到NIOSII處理器的測速輸入端口［2，5］。

2.4"核心處理器模塊設(shè)計

基于NIOSII核心處理器的片上系統(tǒng)設(shè)計見圖3。處理器的pio_in_key_dir端口連接到DE270開發(fā)板的按鍵；通過pio_out_motor_dir端口輸出控制電機的轉(zhuǎn)向；串行通信端口uart_yuyin和uart_stm32_yun分別連接到SU03T語音識別模塊［8］和STM32F103C8T6控制的WiFi模塊，分別用于輸入識別語音指令以及向阿里云上傳數(shù)據(jù)；bidir_port_to_and_from_the_pio_18b20端口連接到DS18B20溫度傳感器的DQ數(shù)據(jù)端口；my_lcd控制端口和數(shù)據(jù)端口用于驅(qū)動1602LCD顯示溫度和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；SDRAM端口用于驅(qū)動SDRAM存儲器，構(gòu)成片上系統(tǒng)的內(nèi)存空間［23］。

2.5"蜂鳴器距離報警電路設(shè)計

采用S8050型三極管驅(qū)動有源蜂鳴器，實現(xiàn)近距離報警。

2.6"DS18B20接口電路設(shè)計

DS18B20溫度傳感器的DQ端，外接上拉電阻，連接到NIOSII處理器的bidir_port_to_and_from_the_pio_18b20端口［7］。

2.7"語音識別模塊接口電路設(shè)計

SU03T語音識別模塊的B7引腳連接到NIOSII核心處理器的uart_yuyin_rxd串口輸入端口［9］。

2.8"WiFi模塊接口電路設(shè)計

WiFi模塊ESP8266接口電路見圖4［9］，一個串口負責接收FPGA通過EIARS232串口發(fā)來的、經(jīng)過RS232TTL接收模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，另一個串口將數(shù)據(jù)打包，通過連接WiFi熱點將數(shù)據(jù)上傳給阿里云服務器［9］。

3"基于eclipse的NIOSII、uC/OSII系統(tǒng)程序設(shè)計

在主程序中創(chuàng)建了兩個用戶任務task1、task2。在task1中，首先，采用臨界段代碼技術(shù)采集環(huán)境溫度，防止溫度采集時序被打斷，確保溫度采集數(shù)據(jù)準確［10］；其次，讀取電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，讀取按鍵控制的自動和手動模式控制轉(zhuǎn)速信息；最后，將所有數(shù)據(jù)打包成32位數(shù)據(jù)格式，通過消息郵箱傳遞給task2。32位數(shù)據(jù)打包格式：1位模式控制位，15位溫度數(shù)據(jù)，16位轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

在task2中顯示溫度值及轉(zhuǎn)速值，控制電機轉(zhuǎn)動。在手動控制模式下，實現(xiàn)根據(jù)語音指令控制電機轉(zhuǎn)速；在自動控制狀態(tài)下，實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境溫度，利用PID控制算法自動控制電機轉(zhuǎn)速；實現(xiàn)物體距離異常接近風扇限速以及語音控制轉(zhuǎn)速；將電機轉(zhuǎn)速、溫度、距離、電機轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)打包，通過串口發(fā)送給STM32F103C8T6單片機控制的WiFi模塊，然后發(fā)送給阿里云。

在task1、task2之間采用雙郵箱通信技術(shù)，同步兩個任務之間的數(shù)據(jù)傳輸［10］。

4"系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

4.1"系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果實物圖見圖5。

4.2"利用WiFi上傳阿里云溫度、轉(zhuǎn)速、距離報警、電機轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)結(jié)果

利用WiFi上傳阿里云溫度、轉(zhuǎn)速、距離報警、電機轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)結(jié)果見圖6。

結(jié)語

本文解決了溫度檢測與直流無刷電機的轉(zhuǎn)速智能控制問題，實現(xiàn)了阿里云上傳電機的各項參數(shù)。

參考文獻：

［1］董勝，浦珊珊，馬東吉.應用型本科電子系統(tǒng)設(shè)計課程教學改革與實踐［J］.教育教學論壇，2020（03）：100101.

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［8］深圳市機芯智能有限公司.SU03T離線語音模組技術(shù)開發(fā)手冊［EB/OL］.https：//help.aimachip.com/docs/offline_su03t/su_03t_kfb.

［9］馬媛，基于ESP8266的無線通信系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子測試，2022，36（05）：4446.

［10］張勇.嵌入式操作系統(tǒng)原理與面向任務程序設(shè)計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2010：102227.

項目來源：北華大學校級教育教學改革研究課題“產(chǎn)教結(jié)合模式下電子系統(tǒng)設(shè)計課程教學改革研究”（項目編號：ZJ1241853）；吉林省教育科學“十四五”規(guī)劃重點課題：新工科背景下“以能力為導向”的電子信息工程類專業(yè)課程體系構(gòu)建新模式探索（編號：ZD22091）

作者簡介：董勝（1972—"），男，漢族，黑龍江嫩江人，儀器儀表工程碩士，副教授，研究方向：信號采集與處理。