基于RISC-V架構(gòu)的語音及圖形編程模擬在太陽光模擬器的應(yīng)用

摘" 要：在RISC-V架構(gòu)下，結(jié)合RT_Thread系統(tǒng)，文章對智能語音編程和GUI編程進行了研究，并模擬應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器的設(shè)計中。首先，介紹了RISC-V架構(gòu)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢，特別是在資源受限的環(huán)境下，該架構(gòu)所展現(xiàn)出的靈活性和可擴展性。其次，闡述了RT_Thread系統(tǒng)在支持多任務(wù)處理和資源管理方面的優(yōu)勢，以及其與RISC-V架構(gòu)的良好兼容性。最后，詳細介紹了如何利用RISC-V平臺實現(xiàn)智能語音功能，以及如何通過GUI編程實現(xiàn)用戶友好的操作界面，以提升其控制和交互性能。該研究為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：RISC-V架構(gòu)；RT_Thread系統(tǒng)；GUI編程；智能語音編程；太陽光模擬器

中圖分類號：TP332；TP39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）04-0031-07

Application of Voice and Graphic Programming Simulation Based on RISC-V Architecture in Solar Simulator

SHEN Jing1， WU Chi2， CHEN Hao1

（1.Yangzhou Polytechnic College， Yangzhou" 225009， China; 2.Jiangsu Jietong Inspection and Certification Co.， Ltd.， Yangzhou" 225009， China）

Abstract： Under the RISC-V architecture， connected with the RT_Thread system， this paper researches the intelligent voice programming and GUI programming， then simulates and applies them to the design of a steady-state solar simulator. Firstly， the application advantages of the RISC-V architecture in embedded systems are introduced， especially the flexibility and scalability that the architecture exhibits in resource-constrained environments. Secondly， the advantages of the RT_Thread system in terms of supporting multi-task processing and resource management are explained， along with the good compatibility with the RISC-V architecture. Finally， a detailed introduction is given on how to utilize the RISC-V platform to implement intelligent voice function， as well as how to achieve a user-friendly operation interface through GUI programming to enhance its control and interaction performance. This research provides new ideas and methods for applications in related fields.

Keywords： RISC-V architecture; RT_Thread system; GUI programming; intelligent voice programming; solar simulator

0" 引" 言

嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，對于處理器架構(gòu)和操作系統(tǒng)的選擇越發(fā)重要[1-3]。RISC-V架構(gòu)因其開放性和靈活性，在嵌入式系統(tǒng)中備受關(guān)注。RISC-V是一種開源指令集架構(gòu)，具有模塊化、可擴展性強等特點，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[4-6]。RISC-V架構(gòu)的開放性使得用戶可以根據(jù)具體需求定制指令集，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景；RISC-V指令集可以根據(jù)需要靈活擴展，滿足不斷變化的應(yīng)用需求；精簡的指令集和流水線結(jié)構(gòu)使得RISC-V處理器在資源受限的環(huán)境下能夠提供高效的性能。RT_Thread是一款面向嵌入式實時操作系統(tǒng)的開源產(chǎn)品，具有小巧、可裁剪、易于移植等特點。在與RISC-V架構(gòu)的結(jié)合中，RT_Thread展現(xiàn)出了以下優(yōu)勢：RT_Thread支持多任務(wù)處理，能夠滿足復(fù)雜嵌入式應(yīng)用場景下的任務(wù)調(diào)度和管理需求；還提供了靈活的資源管理機制，使得系統(tǒng)能夠有效利用有限的資源，提高系統(tǒng)整體的性能和穩(wěn)定性[7-10]。

本文模擬設(shè)計的穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器的光源系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)在本課題中分別采用了三色LED燈作為模擬光源的功能演示、水泥電阻加風(fēng)扇作為模擬溫控系統(tǒng)的功能演示；由于三色LED燈光強有限，無法模擬1 000 W/m2輻照度的太陽光，故此處模擬了太陽光顏色從日出到日落的動態(tài)變化過程。選用RISC-V架構(gòu)的國產(chǎn)芯片CH32V307VCT6作為微控制器，LCD觸摸屏作為輸入輸出外設(shè)，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器的功能模擬，可以達成低成本、低功耗、高穩(wěn)定性、高性能、高自主化的目標(biāo)。

1" 電路設(shè)計與實現(xiàn)

穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器模擬系統(tǒng)各模塊連接如圖1所示。通過LCD觸摸屏或智能語音模塊設(shè)定光強值和溫度值，CH32V307VCT6控制RGB燈和加熱電阻按照設(shè)定數(shù)值工作并通過光照度感應(yīng)器和風(fēng)扇協(xié)助穩(wěn)定光強及溫度值；當(dāng)溫度超過過熱保護溫度時，蜂鳴器報警；LCD顯示屏上實時顯示光強值、溫度值。

該穩(wěn)態(tài)太陽光模擬器模擬系統(tǒng)包括以下幾部分電路：供電電路、最小系統(tǒng)電路、串口調(diào)試電路、光強控制電路、溫度控制電路、報警電路。本方案將MCU最小系統(tǒng)運行在等待線程激活狀態(tài)下，它由以下模塊組成：供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路。

1.1" 供電電路

如圖2所示。該模擬系統(tǒng)的供電電路由+5 V電源供電，+5 V工作電壓由TYPE-C型號的USB直接提供或DC-005電源接口供電經(jīng)由ETA2806芯片轉(zhuǎn)換而來；但是CH32V307VCT6芯片、光照度傳感器、LCD觸摸屏需要的是+3.3 V電源供電，+3.3 V電壓由1117-3.3 V轉(zhuǎn)換+5 V而來。為了保護及穩(wěn)定+5 V和+3.3 V電壓，供電電路加上了瞬態(tài)抑制二極管、過流保護器及一些儲能電容和去耦電容。此外給電源系統(tǒng)接一個LED指示燈，以便后續(xù)能夠正確觀察電路的工作情況。

1.2" 最小系統(tǒng)電路

如圖3所示。CH32V307VCT6微控制器的最小系統(tǒng)電路包含供電、時鐘、復(fù)位電路等，以便進行基本的程序下載和調(diào)試。電路圖中包含一個JTAG/SWD下載/調(diào)試接口，用于連接編程器或調(diào)試器，下載程序與調(diào)試代碼。

1.3" 光強控制電路

圖4為光強控制電路，光強度傳感器BH1750FVI檢測環(huán)境光強度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給微控制器。微控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)計算出三色LED燈的控制信號，并通過控制信號調(diào)節(jié)LED各個顏色的亮度，從而實現(xiàn)模擬太陽光的調(diào)節(jié)。

1.4" 串口調(diào)試電路

CH32V307VCT6通過光照度傳感器和溫度傳感器獲得參數(shù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)控制風(fēng)扇及三色LED燈等功能的實現(xiàn)都需要使用串口通信；而當(dāng)需要PC與單片機進行數(shù)據(jù)交互時也要求單片機能夠和PC機通信，而較為方便有效的方式就是串行通信。同時在進行系統(tǒng)調(diào)試的時候也離不開SWD接口，電路圖如圖5所示。

1.5" 溫度控制電路

溫度控制電路由加熱模塊、溫度測量模塊以及風(fēng)扇組成。加熱控制通過配置定時器通道，輸出不同占空比的PWM來控制水泥電阻加熱。通過ADC（PB0）采集LM35的輸出引腳的電壓可以得到當(dāng)前的溫度。當(dāng)水泥電阻周邊溫度達到設(shè)定溫度時就關(guān)閉水泥電阻加熱，當(dāng)水泥電阻周邊溫度低于設(shè)定溫度時就打開水泥電阻加熱。在水泥電阻加熱的同時，通過配置定時器通道輸出不同占空比的PWM來控制風(fēng)扇的風(fēng)速，最終達到溫度的動態(tài)平衡，從而將溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，電路圖如圖6所示。

1.6" 報警電路

圖7為報警電路，微控制器讀取光敏電阻及溫度傳感器的電壓值并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果超過設(shè)置的閾值就會控制蜂鳴器發(fā)聲報警，并將光照強度值和溫度顯示在LCD觸摸屏上。

2" 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

首先，將極簡版的硬實時內(nèi)核RT-Thread Nano移植到RISC-V架構(gòu)的CH32V307VCT6芯片上。使用在線的軟件包管理工具，配合系統(tǒng)配置工具，實現(xiàn)直觀快速的模塊化剪裁，導(dǎo)入軟件功能包，進而實現(xiàn)類似Android的圖形界面、觸摸滑動效果以及智能語音交互等功能。接著，以模塊化的設(shè)計編寫用戶界面設(shè)計、智能語音控制、溫度控制、光強控制、報警控制的軟件代碼。

2.1" 用戶界面設(shè)計

通過GUI編程設(shè)計出用戶友好的操作界面，對于提升設(shè)備的易用性至關(guān)重要。在RISC-V平臺上，通過合理的圖形庫選擇和界面設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)輕量級、高效率的GUI應(yīng)用。本模擬系統(tǒng)用戶界面設(shè)計通過LVGL（Light and Versatile Graphics Library）開源圖形庫，獲取了創(chuàng)建圖形用戶界面（GUI）所需的各種組件和功能。設(shè)計的界面如圖8所示，其包含LED燈太陽光模擬模式開關(guān)、LED燈亮度控制滑軌、溫度和光照強度顯示、光照強度顯示圖。

2.2" 語音控制

近年來，隨著人工智能和語音識別技術(shù)的快速發(fā)展，語音控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸改變著我們的生活方式。實現(xiàn)智能語音編程需要克服一系列技術(shù)難題，包括語音識別和合成。故本設(shè)計直接選用語音識別開發(fā)板ASRPRP開發(fā)板來開發(fā)智能語音功能，搭配天問Blook圖形化編程軟件，以快速實現(xiàn)語音交互和智能語音控制。

mBlock項目展現(xiàn)了一個基于語音識別和外部設(shè)備控制的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了多種功能模塊，可實現(xiàn)人機交互和智能化操作。系統(tǒng)核心在于語音識別模塊，識別特定關(guān)鍵詞或指令，例如“小光小光”喚醒詞，以及控制設(shè)備的指令如“關(guān)閉燈”“打開風(fēng)扇”等。通過串口通信，系統(tǒng)發(fā)送特定的字節(jié)序列與外部硬件進行數(shù)據(jù)交換，控制燈、風(fēng)扇、加熱器和屏幕等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、亮度、速度和溫度等參數(shù)。項目中使用變量存儲設(shè)備狀態(tài)和傳感器數(shù)值，并運用條件語句根據(jù)事件和變量的值進行邏輯判斷，控制程序流程。例如，當(dāng)識別到“喚醒詞”時，系統(tǒng)會將睡眠狀態(tài)切換為活動狀態(tài)，并等待用戶發(fā)出進一步指令。部分圖形化編程代碼如圖9所示。

mBlock項目展示了一種將語音識別技術(shù)應(yīng)用于外部設(shè)備控制的有效方法，并通過清晰的代碼結(jié)構(gòu)和邏輯實現(xiàn)人機交互和智能化操作。

2.2.1" 溫度控制

圖10為溫度控制流程圖，該溫度控制系統(tǒng)是基于LM35溫度傳感器和CH32V307VCT6微控制器的簡單控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過以下步驟實現(xiàn)溫度控制：首先，LM35溫度傳感器將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，其輸出電壓與溫度成正比；接著，微控制器的ADC模塊將該模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并通過計算得到當(dāng)前溫度值；然后，系統(tǒng)采用Bang-Bang控制算法，將當(dāng)前溫度與設(shè)定值（36 ℃）進行比較，如果溫度低于設(shè)定值，則啟動水泥電阻加熱程序，通過定時器2的通道4以80%的占空比輸出PWM信號控制加熱設(shè)備；如果溫度達到或超過設(shè)定值，則停止加熱程序，PWM信號占空比為0%；最后，系統(tǒng)通過串口打印輸出當(dāng)前溫度值，用戶可以通過LCD屏幕實時觀察溫度變化。

2.2.2" 光強控制

圖11為太陽光模擬程序流程圖，首先初始化三色LED燈的GPIO引腳和定時器PWM模塊，為后續(xù)的燈光控制做準(zhǔn)備。接著，程序進入主循環(huán)，持續(xù)更新LED燈的亮度，使其按照預(yù)設(shè)的太陽光顏色變化模式進行轉(zhuǎn)變，例如從日出前的暗紅色逐漸過渡到正午的明亮白色，再到日落后的暗紅色，展現(xiàn)太陽光顏色隨時間推移的動態(tài)變化。用戶既可以通過串口發(fā)送指令來控制三色LED燈的顏色和亮度，也可以通過LCD觸摸屏改變?nèi)獿ED燈的亮度。

2.2.3" 報警控制

在各類電子設(shè)備中，過熱保護功能扮演著至關(guān)重要的角色，它直接關(guān)系到設(shè)備的安全性和使用壽命。為實現(xiàn)這一功能，本模擬系統(tǒng)巧妙地利用溫度傳感器實時監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部溫度的變化，并將其與預(yù)設(shè)的過熱保護溫度進行比較。當(dāng)監(jiān)測溫度超過預(yù)設(shè)閾值，表明設(shè)備存在過熱風(fēng)險時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報聲，及時提醒用戶采取必要的措施。用戶聽到警報后，應(yīng)立即停止設(shè)備運行，并檢查設(shè)備的散熱情況，例如散熱風(fēng)扇是否正常運轉(zhuǎn)、散熱通道是否通暢等通過這一系列措施，可以有效防止設(shè)備因過熱而導(dǎo)致性能下降、內(nèi)部元件損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)等安全事故，從而保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運行和延長使用壽命。

3" 調(diào)試與驗證

選用MounRiver Studio（MRS）作為集成開發(fā)環(huán)境，其基于Eclipse GNU版本開發(fā)，在保留原平臺強大代碼編輯功能、便捷組件框架的同時，針對嵌入式C/C++開發(fā)，進行了一系列界面、功能、操作方面的修改與優(yōu)化。目前，它提供了包括C編譯器、宏編譯器、鏈接器、庫管理、仿真調(diào)試器和下載器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，同時支持RISC-V和ARM內(nèi)核。

3.1" 下載調(diào)試

具體如下：

1）編譯代碼。確保代碼已保存并編譯成功，如圖12所示?！癇uild Finished”表明編譯已完成且沒有錯誤。

2）連接硬件。使用合適的線纜將開發(fā)板連接到電腦。確保連接穩(wěn)定且線纜完好。

3）配置調(diào)試器。在MounRiver Studio中，打開“調(diào)試配置”窗口；選擇調(diào)試器類型：WCH-LinkRV；選擇內(nèi)存分配：224 KB + 96 KB；配置調(diào)試器參數(shù)，芯片類型：CH32V307；設(shè)置下載算法和復(fù)位方式：自動選擇。

4）開始調(diào)試。點擊“調(diào)試”按鈕開始調(diào)試；MounRiver Studio將下載代碼到開發(fā)板并啟動調(diào)試會話。

5）調(diào)試過程?？梢栽诖a中設(shè)置斷點，單步執(zhí)行代碼，觀察變量值，并使用其他調(diào)試功能來查找和修復(fù)錯誤。

6）結(jié)束調(diào)試。完成調(diào)試后，點擊“停止”按鈕結(jié)束調(diào)試會話。

3.2" 調(diào)試結(jié)果分析

本次調(diào)試的目的是驗證LCD顯示功能和傳感器數(shù)據(jù)讀取功能是否正常，預(yù)期結(jié)果是LCD能夠正常顯示文字、圖形和傳感器數(shù)據(jù)，如圖13所示。LCD顯示功能和傳感器數(shù)據(jù)讀取功能均正常。LCD能夠清晰地顯示文字、圖形和傳感器數(shù)據(jù)，表明代碼編寫正確，硬件連接正常；可以通過滑動滑塊組件來調(diào)節(jié)LED燈的光強度；光照強度曲線圖能夠?qū)崟r更新，說明程序能夠定時讀取傳感器數(shù)據(jù)并繪制曲線圖；模式切換開關(guān)顯示正常。

本次調(diào)試成功驗證了LCD顯示功能和傳感器數(shù)據(jù)讀取功能的正常性，代碼編寫和硬件連接均符合預(yù)期。

4" 結(jié)" 論

本文介紹了RISC-V架構(gòu)，了解其相對于ARM、MIPS和x86等架構(gòu)在簡潔性、開源性，以及成本、功耗、性能方面的優(yōu)勢；設(shè)計開發(fā)了基于RISC-V架構(gòu)MCU的模擬系統(tǒng)，其強大的功能與豐富的內(nèi)置資源，適合應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)控制中。選擇使用RT_Thread開源實時操作系統(tǒng)，因為它不僅僅是一個單一的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它也是一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)，可更好地實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制與人機交互。采用智能語音控制以適應(yīng)當(dāng)前對智能化、便捷性越來越高的要求，為未來留下想象空間。應(yīng)用用戶友好的觸摸界面設(shè)計，圖形化可視界面符合目前對設(shè)備可視化操作的需求，便于個性化定制，方便用戶讀取與設(shè)定參數(shù)。采用LED燈自主設(shè)定光譜與輻照度，并使用PID控制算法，以確保光照度、溫度穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)，提高了算法對環(huán)境的適應(yīng)性以及抗干擾性。本文設(shè)計是模擬應(yīng)用于太陽能組件的性能檢測，實際上，在居家智能照明及控制、無土栽培室分布式照明控制，乃至于未來月球、火星基地模擬地球光照變化等方面都有著可預(yù)見的應(yīng)用需求。

參考文獻：

[1] 帕特森，亨尼斯.計算機組成與設(shè)計 硬件/軟件接口：第5版 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2019.

[2] 帕特森，沃特曼.RISC-V開放架構(gòu)設(shè)計之道 [M].勾凌睿，陳璐，劉志剛，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2024.

[3] WATERMAN A，ASANOVIC K. The RISC-V Instruction Set Manual， Volume I：Unprivileged ISA [EB/OL].[2024-06-24].https：//acsa.ustc.edu.cn/ics/download/riscv/The%20RISC-V%20Instruction%20Set%20Manual.pdf.

[4] WATERMAN A，LEE Y，AVIZIENIS Z，et al. The RISC-V Instruction Set Manual Volume II：Privileged Architecture [EB/OL].[2024-06-20].https：//people.eecs.berkeley.edu/～krste/papers/riscv-privileged-v1.9.pdf.

[5] 南京沁恒微電子股份有限公司.RISC-V MCU-CH32V307數(shù)據(jù)手冊 [EB/OL].[2024-06-25].https：//www.wch.cn/downloads/CH32V307DS0_PDF.html.

[6]趙春霞.MRs橋接故障模擬與檢測 [D].桂林：桂林電子科技大學(xué)，2021.

[7] 杭州天問五幺科技有限公司.ASRPRO開發(fā)板規(guī)格書：V1.1 [EB/OL].[2024-06-21].http：//www.twen51.com/jpeguploadfile/twen/ASRPRO/ASRPROV1.1.pdf.

[8] 叢天昊，吳江.基于RISC-V的跌倒和心率血氧檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].智能計算機與應(yīng)用，2024，14（12）：112-117.

[9] 許霽航，羅敏濤，趙翠華，等.基于RISC-V架構(gòu)的系統(tǒng)級抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計 [J/OL].微電子學(xué)與計算機，1-9[2024-06-05].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1123.TN.20241113.1602.002.html.

[10] 陳昊旻，朱冰潔.太陽光模擬器光譜對光伏組件I-V特性測試的影響分析 [J].太陽能，2024（1）：77-82.

作者簡介：沈靜（1994—），女，漢族，江蘇泰州人，講師，碩士研究生，研究方向：電氣自動化控制。

收稿日期：2024-09-04

基金項目：面向先進裝備制造業(yè)的現(xiàn)場工程師人才培養(yǎng)研究（JXHYZX2024017）