基于Actel Fusion系列FPGA器件实现远程家电控制系统的设计

引言

近年来，随着人们对生活品质的追求，每个家庭都越来越需要一个集控中心把家庭中的各种家电连接起来，并实现远程访问、控制以及自动监测报警功能。网络技术的发展使这一想法成为了现实，然而大多数管理系统都是基于功能强大的PC机。近几年，嵌入式技术迅猛发展，逐步开始成熟，尽管无法实现PC机那样强大的功能，但其低成本、低功耗、体积小等优势都是PC机无法比拟的，尤其是价格因素，更是一个便于推广的亮点。因此，嵌入式产品作为控制终端也将有机会成为发展的趋势。

1、 Actel数模结合FPGA介绍

Actel公司的Fusion系列FPGA是基于ProASIC3／E的系列芯片，具有Flash架构的FPGA所有特点，如高安全性、高可靠性、单芯片、上电即行、非易失性、低功耗等；具有4 Mb的用户可用Flash、1 Kb的内部Flash、108 Kb的RAM；2个PLL最高频率可达350 MHz；支持多种I／O电平标准，其中差分的I／0标准有LVPECL、LVDS、BLVDS、M—LVDS；具有AES、FlashLock加密技术。另

外，集成了独特的模拟部分：

◆具有分辨率高达12位、采样率高达600 ksps、30个输入通道、2．56 V内部参考源的A／D转换器；

◆高达30个模拟的输入I／O，可以承受±12 V输入电压，并有10个MOSFET门驱动输出，驱动能力可调；

◆可实现电压、温度、电流检测；

◆片内集成100 MHz、精度为1％的RC振荡器；

◆外部可接32 kHz～20 MHz的晶振；

◆具有可编程的实时计数器（RTC）；

◆片内具有1．5 V稳压源，可提供内核电压，实现睡眠和待机的低功耗模式。

2、 实现原理及系统结构

系统采用Fusion开发平台为主控器，在片内嵌入8051软核的方式，对系统进行控制和管理。该系统内部嵌入2个8051软核，有效地将管理、控制和检测分开，其两核之间在内部通过并行I／O通信，使用“仿打印机协议”通信；在一个IP核扩展了MiniISA总线，通过并行总线扩展了32 KB SRAM、LCD接口和82C55接口，实现了打印机控制和红外遥控接收；通过电话模块CR6269A和网络模块ZNE一100T将电话信息和网络信息转成串口数据，对家电进行远程控制；模拟I2C总线接口扩展了PCF8563实时时钟芯片、E2PROM存储器AT24C256芯片以及ZLG7290串行显示器／键盘控制器，以获取准确的实时时钟、相关参数，并实现系统信息的存储、4×4键盘动态扫描控制；扩展数字温度传感器DSl8820用于对室温进行测量；在片内扩展了4路A／D，实现对家庭参数（烟雾浓度、燃气浓度、交流电压和交流电流）的测量。系统结构框图如图1所示。

3、 系统硬件设计

3．1 MiniISA总线扩展板

MiniISA总线扩展板主要用于各种并行总线器件及I2C器件的扩展。其中包括：

82C55并行I／O扩展、LCD接口、ZLG7290串行键盘／显示器接口、PCF8563实时时钟接口、AT24C256接口等。Mi—niISA总线接口如图2所示。

3．1．1 外设地址选择与分配

系统通过可编程逻辑阵列器件GAL16V8实现基地址的选择与分配。MiniISA总线接口寻址空间为256字节，其中高4位（A4～A7）为板卡基地址，通过4个拨动开关进行基地址的设置；低4位为该ISA板的接口地址，A2、A3用于板上外扩芯片的地址选择，每个外设的寻址空间为4字节。板卡基地址 base（高4位）由SA7、SA6、SA5、SA4决定，A3、A2对板卡上外设进行片选，地址分配如表1所列。

3．2．2板卡资源介绍

（1）82055并行I／O扩展

可编程并行接口82C55是一款具有2个8位（A口和B口）和2个4位（C口高／低4位） 并行I／O端口的接口芯片，接口可编程，I／O端口控制功能强。芯片接口地址如表2所列。

该设计中82C55主要用于控制打印机的输入与输出，其接口电路如图3所示。

（2）汉字微型打印机扩展

汉字微型打印机为针式打印机。如图3所示，打印机数据线与82C55的PA口相接，PA口设置为输出；忙线（BUSY）和选通线（STB）分别与PC7、 PCO相接。82C55的PC口高4位I／O口设置为输入，低4位I／O口设置为输出。

（3）串行键盘显示器控制器ZLG7290

ZLG7290是串行I2C总线的一款键盘／显示器控制器，最多可以扩展8×8键盘和64个LED。在MiniISA总线扩展板中将所有接口引出，电路如图4所示，而在本设计中只使用的4×4的键盘，用于界面操作。

（4）实时时钟芯片PCF8563

扩展PCF8563实时时钟芯片，用于获取准确时间用于时间的显示。PCF8563是Philips公司推出的一款工业级、内含I2C总线接口功能、具有极低功耗的多功能时钟／日历芯片。工作电流为O．25μA，采用O．1F电容供电；断电情况下，仍可正常工作10～13天。

（5）串行E2PROM AT240256

AT24C256是串行I2C总线的一款E2PROM，存储空间为32 KB，主要用于报警参数、密码、红外代码以及相关产品信息的存储。

3．2 电话模块CR6269A

CR6269A 电话模块可实现自动电话应用所需的全部功能：电话接口、摘机电路、振铃识别、FSK来电号码接收、电话信号音识别、DTMF收发、多段数码语音、多和弦音乐和铃声、免提扩音、用户语音输入和电话语音输出、2路遥控驱动输出。所有硬件的底层控制均由模块内MCU完成，用户通过一标准RS232接口完成指令和数据通信，功能强大且应用非常简便，只需接入5V电源、电话线、串口线即可使用。

3．3 网络模块ZNT一100T

ZNT一100T网络模块是周立功公司开发的一款嵌入式网络模块。它内部集成了TCP／IP协议栈、10M以太网接口，串口TTL电平方式，波特率为 300～115 200 bps，提供5个可控制I／O，可通过网页控制或TCP控制控制端口任意设定。表3为ZNE一100T接口说明。本设计中，利用该模块进行网络控制。

3．4 交流电检测电路

本设计，采用DVDI—001电压／电流互感器对交流电的电压、电流进行采样，然后通过精密整流电路进行整流，采用RC滤波，最终变为O～5 V电压进入FPGA的A／D测量端。

（1）作为电压互感器使用

DVDI—001作电压互感器使用时是一种电流型电压互感器。电压采样电路如图5所示。根据电路的实际情况，将Rr的阻值选为5 kΩ，CO选为O．1μF。因为电流的感应是1：l，所以Rr选为5 kΩ；同时也要注意不要让负载超过互感器的范围。这样，就可以安全地得到所需要的幅值范围。

（2）作为电流互感器使用

DVDI—001作电流互感器应用时，用户只需在中心孔内穿1匝母线作为输入线圈。电流采样电路如图6所示。由于电流的感应比是3 000：1，所以电路中的负载是很小的，所以根据电路的实际情况将Rr的阻值选为5 kΩ，CO选为0．22μF。这样，就可以安全地得到所需要的幅值范围（0～5 V）。

3．5 温度检测

数字温度传感器DSl8B20具有与CPU接口方便、直接数字量输出等优点，可提供12位（二进制）温度读数指示器件的温度信息。经过单线接口送入 DSl8820或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8820仅需一条线。室内温度检测采用数字温度传感器，其电路如图7所示。

4 、双核通信

系统采用主从式架构，主核发送命令，从核响应，共同完成对外围设备的控制和管理。其中，COREl作为主核，外扩了32 KB的SRAM，主要通过MiniISA总线与外界通信；CORE2作为从核，通过I／O与外部通信。COREl、CORE2在结构上是相对独立的，双核采用仿打印机协议进行通信，二者以I／O口相接（并行数据线8位，控制线2位）。双核通信接口如图8所示，接口引脚定义如表4所列。

系统在每一个核中，都开辟了一个16字节的缓存，用于存储接收到的数据。其发送格式为：

从设备地址如表5所列。

5、 软件设计

5．1 系统主程序流程

系统内部具有双核，每个内核单独执行程序。主程序流程如图9所示。

5．2 双核通信流程

双核通信采用读忙线发送、中断接收的方式，增强了数据发送的可靠性，如图10所示。

6、结语

本文利用Actel公司最新Fusion系列数模结合的FPGA实现了远程家电控制，保证了多CPU环境下通信的协调与稳定。本文创新点：采用数模结合的 FPGA，内嵌2个8051 IP软核，主核通过扩展MiniISA总线实现数据处理和系统管理，从核直接用于参数的采集和控制，且参数采集所用的A／D转换器均为12位的片内 A／D。

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