引言

近年來，隨著人們對生活品質的追求，每個家庭都越來越需要一個集控中心把家庭中的各種家電連接起來，并實現遠程訪問、控制以及自動監測報警功能。網絡技術的發展使這一想法成為了現實，然而大多數管理系統都是基于功能強大的PC機。近幾年，嵌入式技術迅猛發展，逐步開始成熟，盡管無法實現PC機那樣強大的功能，但其低成本、低功耗、體積小等優勢都是PC機無法比擬的，尤其是價格因素，更是一個便于推廣的亮點。因此，嵌入式產品作為控制終端也將有機會成為發展的趨勢。

1 Actel數模結合FPGA介紹

Actel公司的Fusion系列FPGA是基于ProASIC3／E的系列芯片，具有Flash架構的FPGA所有特點，如高安全性、高可靠性、單芯片、上電即行、非易失性、低功耗等；具有4 Mb的用戶可用Flash、1 Kb的內部Flash、108 Kb的RAM；2個PLL最高頻率可達350 MHz；支持多種I／O電平標準，其中差分的I／0標準有LVPECL、LVDS、BLVDS、M—LVDS；具有AES、FlashLock加密技術。另

外，集成了獨特的模擬部分：

◆具有分辨率高達12位、采樣率高達600 ksps、30個輸入通道、2．56 V內部參考源的A／D轉換器；

◆高達30個模擬的輸入I／O，可以承受±12 V輸入電壓，并有10個MOSFET門驅動輸出，驅動能力可調；

◆可實現電壓、溫度、電流檢測；

◆片內集成100 MHz、精度為1％的RC振蕩器；

◆外部可接32 kHz～20 MHz的晶振；

◆具有可編程的實時計數器（RTC）；

◆片內具有1．5 V穩壓源，可提供內核電壓，實現睡眠和待機的低功耗模式。

2 實現原理及系統結構

系統采用Fusion開發平臺為主控器，在片內嵌入8051軟核的方式，對系統進行控制和管理。該系統內部嵌入2個8051軟核，有效地將管理、控制和檢測分開，其兩核之間在內部通過并行I／O通信，使用“仿打印機協議”通信；在一個IP核擴展了MiniISA總線，通過并行總線擴展了32 KB SRAM、LCD接口和82C55接口，實現了打印機控制和紅外遙控接收；通過電話模塊CR6269A和網絡模塊ZNE一100T將電話信息和網絡信息轉成串口數據，對家電進行遠程控制；模擬I2C總線接口擴展了PCF8563實時時鐘芯片、E2PROM存儲器AT24C256芯片以及ZLG7290串行顯示器／鍵盤控制器，以獲取準確的實時時鐘、相關參數，并實現系統信息的存儲、4×4鍵盤動態掃描控制；擴展數字溫度傳感器DSl8820用于對室溫進行測量；在片內擴展了4路A／D，實現對家庭參數（煙霧濃度、燃氣濃度、交流電壓和交流電流）的測量。系統結構框圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

3．1 MiniISA總線擴展板

MiniISA總線擴展板主要用于各種并行總線器件及I2C器件的擴展。其中包括：

82C55并行I／O擴展、LCD接口、ZLG7290串行鍵盤／顯示器接口、PCF8563實時時鐘接口、AT24C256接口等。Mi—niISA總線接口如圖2所示。

3．1．1 外設地址選擇與分配

系統通過可編程邏輯陣列器件GAL16V8實現基地址的選擇與分配。MiniISA總線接口尋址空間為256字節，其中高4位（A4～A7）為板卡基地址，通過4個撥動開關進行基地址的設置；低4位為該ISA板的接口地址，A2、A3用于板上外擴芯片的地址選擇，每個外設的尋址空間為4字節。板卡基地址 base（高4位）由SA7、SA6、SA5、SA4決定，A3、A2對板卡上外設進行片選，地址分配如表1所列。

3．2．2板卡資源介紹

（1）82055并行I／O擴展

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

該設計中82C55主要用于控制打印機的輸入與輸出，其接口電路如圖3所示。

（2）漢字微型打印機擴展

漢字微型打印機為針式打印機。如圖3所示，打印機數據線與82C55的PA口相接，PA口設置為輸出；忙線（BUSY）和選通線（STB）分別與PC7、 PCO相接。82C55的PC口高4位I／O口設置為輸入，低4位I／O口設置為輸出。

（3）串行鍵盤顯示器控制器ZLG7290

ZLG7290是串行I2C總線的一款鍵盤／顯示器控制器，最多可以擴展8×8鍵盤和64個LED。在MiniISA總線擴展板中將所有接口引出，電路如圖4所示，而在本設計中只使用的4×4的鍵盤，用于界面操作。

（4）實時時鐘芯片PCF8563

擴展PCF8563實時時鐘芯片，用于獲取準確時間用于時間的顯示。PCF8563是Philips公司推出的一款工業級、內含I2C總線接口功能、具有極低功耗的多功能時鐘／日歷芯片。工作電流為O．25μA，采用O．1F電容供電；斷電情況下，仍可正常工作10～13天。

（5）串行E2PROM AT240256

AT24C256是串行I2C總線的一款E2PROM，存儲空間為32 KB，主要用于報警參數、密碼、紅外代碼以及相關產品信息的存儲。

3．2 電話模塊CR6269A

CR6269A 電話模塊可實現自動電話應用所需的全部功能：電話接口、摘機電路、振鈴識別、FSK來電號碼接收、電話信號音識別、DTMF收發、多段數碼語音、多和弦音樂和鈴聲、免提擴音、用戶語音輸入和電話語音輸出、2路遙控驅動輸出。所有硬件的底層控制均由模塊內MCU完成，用戶通過一標準RS232接口完成指令和數據通信，功能強大且應用非常簡便，只需接入5V電源、電話線、串口線即可使用。

3．3 網絡模塊ZNT一100T

ZNT一100T網絡模塊是周立功公司開發的一款嵌入式網絡模塊。它內部集成了TCP／IP協議棧、10M以太網接口，串口TTL電平方式，波特率為 300～115 200 bps，提供5個可控制I／O，可通過網頁控制或TCP控制控制端口任意設定。表3為ZNE一100T接口說明。本設計中，利用該模塊進行網絡控制。

3．4 交流電檢測電路

本設計，采用DVDI—001電壓／電流互感器對交流電的電壓、電流進行采樣，然后通過精密整流電路進行整流，采用RC濾波，最終變為O～5 V電壓進入FPGA的A／D測量端。

（1）作為電壓互感器使用

DVDI—001作電壓互感器使用時是一種電流型電壓互感器。電壓采樣電路如圖5所示。根據電路的實際情況，將Rr的阻值選為5 kΩ，CO選為O．1μF。因為電流的感應是1：l，所以Rr選為5 kΩ；同時也要注意不要讓負載超過互感器的范圍。這樣，就可以安全地得到所需要的幅值范圍。

（2）作為電流互感器使用

DVDI—001作電流互感器應用時，用戶只需在中心孔內穿1匝母線作為輸入線圈。電流采樣電路如圖6所示。由于電流的感應比是3 000：1，所以電路中的負載是很小的，所以根據電路的實際情況將Rr的阻值選為5 kΩ，CO選為0．22μF。這樣，就可以安全地得到所需要的幅值范圍（0～5 V）。

3．5 溫度檢測

數字溫度傳感器DSl8B20具有與CPU接口方便、直接數字量輸出等優點，可提供12位（二進制）溫度讀數指示器件的溫度信息。經過單線接口送入 DSl8820或從DSl8B20送出，因此從主機CPU到DSl8820僅需一條線。室內溫度檢測采用數字溫度傳感器，其電路如圖7所示。

4 雙核通信

系統采用主從式架構，主核發送命令，從核響應，共同完成對外圍設備的控制和管理。其中，COREl作為主核，外擴了32 KB的SRAM，主要通過MiniISA總線與外界通信；CORE2作為從核，通過I／O與外部通信。COREl、CORE2在結構上是相對獨立的，雙核采用仿打印機協議進行通信，二者以I／O口相接（并行數據線8位，控制線2位）。雙核通信接口如圖8所示，接口引腳定義如表4所列。

系統在每一個核中，都開辟了一個16字節的緩存，用于存儲接收到的數據。其發送格式為：

從設備地址如表5所列。

5 軟件設計

5．1 系統主程序流程

系統內部具有雙核，每個內核單獨執行程序。主程序流程如圖9所示。

5．2 雙核通信流程

雙核通信采用讀忙線發送、中斷接收的方式，增強了數據發送的可靠性，如圖10所示。

結語

本文利用Actel公司最新Fusion系列數模結合的FPGA實現了遠程家電控制，保證了多CPU環境下通信的協調與穩定。本文創新點：采用數模結合的 FPGA，內嵌2個8051 IP軟核，主核通過擴展MiniISA總線實現數據處理和系統管理，從核直接用于參數的采集和控制，且參數采集所用的A／D轉換器均為12位的片內 A／D。