智能溫室環(huán)境測控系統專(zhuān)用CPU設計

摘要：智能溫室是近年逐步發(fā)展起來(lái)的一種資源節約型高效農業(yè)發(fā)展技術(shù)，目前國內大多以單片機、通用計算機作為溫室系統處理器，由于基于單因子和成本問(wèn)題，其智能化和效率有待提高。在此通過(guò)對目前智能溫室控制器的分析研究，提出并設計了一款16位的的單總線(xiàn)專(zhuān)用CPU，且專(zhuān)門(mén)針對于智能溫室測控系統設計了一個(gè)浮點(diǎn)運算器和n個(gè)Comparray比較器，并使用VHDL語(yǔ)言在QuartusⅡ6．0中進(jìn)行設計與仿真。所以，該CPU不但具有通用CPU的基本特性，而且更具有在農業(yè)溫室控制系統領(lǐng)域的特殊性。
關(guān)鍵詞：測控系統；專(zhuān)用CPU；Comparvay比較器；VHDL語(yǔ)言

溫室環(huán)境測控系統的工作原理就是根據溫室內外裝設的各種傳感設備采集或監測信息，然后傳遞給處理設備進(jìn)行分析與處理后，控制其執行機構對溫室的環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調節與控制，以達到為作物的生長(cháng)發(fā)育創(chuàng )造最佳環(huán)境條件的目的。

1 目前智能溫室環(huán)境測控系統控制器分析
由于處理器核心技術(shù)的不斷進(jìn)步，溫室控制系統處理器的處理能力也在飛速發(fā)展，種類(lèi)也在不斷增多。資料顯示，目前的溫室控制系統結構中，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中其核心處理器是以工業(yè)控制機為中心的。其余2個(gè)模塊：一個(gè)主要由用于環(huán)境因子采集的各類(lèi)傳感器組成；另一個(gè)模塊主要由各種執行機構組成?？刂葡到y的主要特點(diǎn)是多輸入和多輸出閉環(huán)控制，所以硬件的開(kāi)發(fā)量比較小，軟件組態(tài)方面也比較方便，市場(chǎng)很容就能夠買(mǎi)到所需要的硬件及軟件。工業(yè)控制機的一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)是具有標準通信接口，因此很容易實(shí)現溫室的群控和網(wǎng)絡(luò )化。其缺點(diǎn)是：一方面是成本較高，因為工業(yè)控制機及相應的組態(tài)軟件都需要購買(mǎi)；另一方面是集中控制，如果核心的工控機發(fā)生了故障，那么將導致整個(gè)系統運行遭到破壞。而且在這種以工控機做為控制器的結構中，在進(jìn)行系統的布線(xiàn)時(shí)由于多入多出結構的特點(diǎn)，線(xiàn)路鋪設相當復雜，如果出現了問(wèn)題在維護起來(lái)也十分不方便。
(2)單片機
在這種控制系統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(diǎn)是單片能夠對全局環(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(lái)也十分容易，而且投資成本較低。但是在系統搭建時(shí)其線(xiàn)路的鋪設十分復雜，出現故障的幾率也是相當的高，因此系統的可靠性必然受到影響；一般還是通過(guò)模擬量或開(kāi)關(guān)量進(jìn)行信號的輸入、輸出，自動(dòng)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(dòng)控制裝置。這種裝置的主要特點(diǎn)就是將傳統的繼電器技術(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)境系統來(lái)說(shuō)，它能夠滿(mǎn)足長(cháng)期連續的工作和高效率的控制需求；在系統穩定性方面，系統性能穩定，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(jiǎn)單。缺點(diǎn)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，普通的農業(yè)用戶(hù)在經(jīng)濟能力上無(wú)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(lái)的，隨著(zhù)嵌入式系統的快速發(fā)展，應用領(lǐng)域也不斷擴展。再加上其“專(zhuān)用”的特點(diǎn)，在溫室控制系統中的應用在日趨增多。

2 專(zhuān)用CPU的設計
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(guò)調查發(fā)現，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(chǎng)上具有相當高的占有率。與從16位機迅速的向32位、64位過(guò)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用的一種主要機型，而且在未來(lái)相當長(cháng)的一段時(shí)間內，這個(gè)勢頭仍然會(huì )持續下去。因為這是由嵌入式系統和通用計算機系統的完全不同的應用特性決定的，所以其技術(shù)發(fā)展道路走向是完全不同的。根據智能溫室測控系統的特點(diǎn)，在最大限度地滿(mǎn)足數據的采集、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，因此本所設計的專(zhuān)用CPU為16為CPU。作為智能溫室環(huán)境測控系統的專(zhuān)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業(yè)溫室控制系統領(lǐng)域的特殊性。
2．1 專(zhuān)用CPU的組成結構
圖1是一個(gè)16位的采用了RISC思想的單總線(xiàn)CISC CPU處理器結構。

此CPU單獨設置了一個(gè)8段的流水FLOAT(浮點(diǎn)型運算器)、一個(gè)ALU(定點(diǎn)運算器)、一個(gè)PcCount(程序計算器)、一個(gè)InstrReg(指令寄存器)一個(gè)Shift(移位運算器)、一個(gè)ComP(單比較器)、一個(gè)Compn(比較器組、n為可擴充)、一個(gè)Controller(控制單元)、一個(gè)AddrReg(地址寄存器)和八個(gè)．Reg0…Reg7(16位寄存器組)，它們共用一組16位的三態(tài)數據總線(xiàn)。其工作流程和通用CPU相同，不同的專(zhuān)用寄存器保存指定的內容，指令的執行分順序和轉移兩種方式。
該結構中有專(zhuān)門(mén)針對于智能溫室測控系統而設計的一個(gè)浮點(diǎn)運算器和n個(gè)Comparray比較器。一方面由于本智能溫室環(huán)境測控系統的一個(gè)很重要的功能就是硬件實(shí)現智能控制方法，同時(shí)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，而所采集數據通常是浮點(diǎn)數，所以本文在CPU的運算單元中增加了單獨的浮點(diǎn)運算器；另一方面因為在智能溫室測控系統中要隨時(shí)對溫度、濕度、CO2濃度等數據與作物生長(cháng)的最佳值比較，如果數值超越了警戒線(xiàn)，就要采取措施。為了提高處理速度，方便比較，該結構中放置了比較器組，會(huì )把最常用的值在不同的比較器中固化，不但節省了取操作數的環(huán)節，而且也節省了時(shí)間。