基于SOPC技术的污水多参数监测系统研究与设计.doc

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1、摘要Y2_2 基于SOPC技术的污水多参数监测系统研究与设计 摘要随着我国工业化和城市化水平的不断提升，水污染处理及控制问题日益受到 人们的关注。对污水水质参数进行监测，可获取污水详细信息，同时也能为工 程师提供控制依据。目前，获取水质参数信息有人工取样实验室测定法、使用 便携仪器现场离线测定、使用监测系统在线测定等方法。其中，在实验室对样 本测定及使用便携仪器测定，在测定时间、经济成本、仪器使用寿命及二次污 染上存在着诸多问题。目前使用的在线监测系统，虽实现了实时测定，但数据 采用有线介质传输且只用于显示，没进一步利用，高投入收益却很低。基于此，本课题设计了 一套基于无线射频和SOPC技术的

2、水质参数监测系 统，在具有在线监测功能的同时，通过引入无线射频及SOPC技术，不仅解决 了布线成本高、布线难、干扰大及维修不便等问题，还解决了系统升级、组网 困难等难题。此外，利用FPGA处理能力强的特点，系统还对数据进行了智能 分析，进而实时调整控制策略，故在实现在线监控的同时降低了处理成本。本课题选取污水水质参数中的溶解氧、化学需氧量、pH值和电导率作为监 测参数，并且整个系统的设计分为控制现场和监控中心两个模块。控制现场， 主要实现了数据采集及数据的无线发送功能；监控中心则主要实现了数据的无 线接收、智能分析、显示及通讯等功能。此外，设计中还利用Matlab设计了一 个集数据接收、实时波

3、形显示、存储、打印等功能于一体的人机交互界面来实 现对整个系统的监视。工程师可根据监测界面显示的数据及智能分析的报警输 出自动或手动采取安全合理的控制。最终，整个系统在实现水质参数无线监测 的同时达到了降低处理成本及降低能耗的目的。关键字：水质监测；SOPC技术；无线射频；在线监控；数据采集ABSTRACTABSTRACTAs the rising levels of industrialization and urbanization in our country, treatment and control of water pollution attract the attentions

4、 of society. Monitoring parameters of sewage water quality can be effectively obtained the detailed information of sewage and can provide effective evidence for operators to take reasonable control measures. At present, method of manual sampling and measuring in laboratory, off-line monitoring of us

5、ing portable instruments and using monitoring system on-line to measure are the main approach to obtain information of sewage water quality. During these measures, no matter detecting in laboratory or using portable instruments, the problems of detecting time, detecting cost, service life of instrum

6、ents and secondary pollution will be existed. To the monitoring system using at present, it can realize the fimction of monitoring on-line, but obtained data are only sent to display and arent effectively used. Besides, for signals are transmitted by medium, high investment cost doesn receive corres

7、ponding benefit.Based on the technologies of RF and SOPC, this paper designs a wireless data transmit system for monitoring water quality. With the use of RF and SOPC, not only issues of hard wiring, high routing cost, large interference and security risk will be solved, but also upgrades and hard n

8、etworking of system will be achieved easier. As FPGA has strong capabilities, intelligent analysis of data can be carried out and is useful to strategies of real-time adjustment control. Therefore, it is an ideal monitoring system for low cost and good effect.In the system, parameters of dissolved o

9、xygen, chemical oxygen demand, pH and electrical conductivity are chosen as the monitoring parameters. The whole design of system will be divided into control module and monitoring center module. In the control field, system will achieve the functions of data acquisition and wireless transmission. I

10、n the monitoring center, system will achieve functions of wireless data receiving, data intelligent analysis, display, communication and so on. Besides, a man-machine interface is designed based on the platform of Matlab for monitoring whole process in upper computer, in which functions of data rece

11、iving, real-time waveform display, storage and printing are gather in integral whole. With HMI, engineers and operators can automatically or manually take reasonable and safe control schemes according to the received data and the results of intelligent analysis. Eventually, system realizes wireless

12、monitoring of sewage water quality, while the purposes of reducing cost and energy consumption are also achieved at the same time.Keywords: water quality monitoring; SOPC technology; RF technology; monitoring on-line; data acquisitionIII第1章绪论1第1章绪论1.1引言改革开放三十多年来，我国在经济建设上取得了举世瞩目的成就，人民生活 有了质的提高，但由于技术及

13、资金等因素的制约，现代工业、农业的发展也引 发了一系列环境污染，它们严重影响和制约着我国经济的进一步发展及人民生 活水平的进一步提高。其中，与人民生活息息相关的水环境污染日益恶化问题 更是广泛受到人们的关注，污水处理行业从所未有地受到举国的关注。污水问题同样受到党中央国务院的高度重视，以“十一五”规划及科学发展 观为指导纲要，不仅加大了在污水处理方面的投入，还广泛引入新技术新工艺 以提高污水处理的能力。发改委公布数据显示1，“十一五”期间，截至2010年 年底，全国已建成投运城镇污水处理厂2832座，处理能力1.25亿立方米/日， 分别比2005年增加了 210%和108%。2010年全国污水

14、处理厂平均运行负荷率达 到78.95%，以往污水处理设施建成后不运行或低负荷运行的局面得到有效改善， 污水处理整体呈现出好的一面。污水处理厂作为如今解决水污染问题的一个切实有效的举措，它的有效运行 对于削减污染物排放量、改善水环境、促进水资源有效利用将起到重要作用， 是缓解水资源匮乏的一项重要举措。但我国污水处理业整体自动化程度相对落 后，无论是污水处理率、运行效率、运行可靠性，还是能源有效利用率，都远 远达不到要求。1.2国内外研究现状从近几年环境治理来看，我国在环保理论及工艺的研究与应用和国外差距 不大，差距比较大的是环保单元设备和自动控制系统。我国目前已建成投入生 产运行的污水处理厂，自

15、动控制监测技术大致分三种情况2】3:(1) 在日处理能力及规模程度较大的污水处理厂，通过引入DCS设备，建 立中央控制室，中控室双机热备系统通过通信介质连接厂内各PLC控制子站， 各PLC控制子站控制现场的仪器仪表等执行机构，从而实现对整个流程的监测 控制4;(2) 在未引入成套DCS系统的一些污水处理厂则是直接通过上位机及各 PLC子站控制各现场的仪器仪表，控制数据采集、通讯及设备联锁控制456。(3) 由于建厂时间较早或经费投入不足，厂内没有自动控制系统，对污水 处理环节中的各个参数采用人工测定、记录及存档，然后凭借工程师经验预先 设置好仪器设备的各项参数，采用开环控制策略。从上述可以看出

16、，随着智能控制技术的发展，污水处理厂的自控水平一直 在提高。从2002年起，国内部分高校就已经开始对污水处理中的控制系统进行 研究。从目前发表的研究成果可知，北京工业大学、重庆大学、北京化工大学、 燕山大学、浙江大学、太原理工大学、江苏大学等在污水处理控制方面取得了 一些重要成果。从刘明全m、李华8、陆绮荣9等的研究报告可知，目前国内自 动化水平较好的污水处理厂主要是将集散型控制系统引入污水处理过程中，基 本实现污水处理各个环节的自控要求，同时在使用PID算法的同时引入了模糊 控制、专家控制、预测算法等智能算法，取得更优的自控效果。由于采用先进 控制策略，在设备管理及能耗等方面也取得了一定成效

17、。邹成兵、李日清、侯 加全4561()等通过在污水处理系统中引入PLC控制技术后解决了现场设备分 散、复杂、难于控制的难题，从而基本实现了厂区无人操作，降低了现场工作 人员的工作量和劳动强度，实现出水水质稳定的同时降低了能耗；周宏、温瑞 11112等以污水厌氧处理环节为研究对象，在上位机中实现工艺流程显示、控制、 显示报警信号等功能，下位机则为PLC，控制仪表为现场控制单元，结合西门 子PCS7、Wince等软件最终买现环节中流量、液彳1/、温度、pH值等参数的自动 控制，在投入实际运行后得到良好效果，同时，温瑞12还指出在使用JX300X系 统存在着在线分析仪器少，对于很多重点参数还无法实施

18、全部在线监控的问题。随着被称为IT技术“第四次产业革命”无线传感器网络的发展13，越来越 多的新技术被运用于污水水质参数的监控中。史云、蒋建伟、_宗魁、邵建波、 宋乐等i4151617在设计的多参数水质监测系统中，把监测的温度、pH、溶解氧、 电导率、氧化还原电位、氨氮、水位等参数的数据通过GSM公共服务网无线传 输到监控中心，并可利用宽带网络技术对污水处理情况进行实时管理、资源共 享，解决了采集点分散、分布面广等难题，同时这种系统具有经济可行、结构 紧凑、功耗低等特点，能适合户外长期观测需要；胡科、赵亮、刘尊民、廖海 洋、陈文荣等192G2122_GPRS通讯覆盖面大、通讯质量高、组网便捷等

19、特 点对污水处理、油井监测等涉及地域广、设备布局分散场合进行快速可靠地进 第章绪论行数据传输，达到对全局实时监控的目的。此外，由于GPRS通信费用不高， 技术成熟且被广泛运用，与其他技术相比还具有可靠性高、便于安装、运行费 用低等优点。张修建、吕西午、张帆、高洪昌等2324252627针对水质参数监测 特点，利用ZigBee技术和Web应用技术、网关技术、Internet等网络结合构建 多参数实时监测系统，并对Modbus、PROFIBUS-DP与Zigbee协议转换装置进 行了开发设计，最终使得远端用户可通过网关实现远程访问，并且系统具有可 扩展性强、节点功耗低、适合长时间运行等特点。广州致

20、远电子有限公司28的 工程人员则设计出了一个在底层用高性能现场总线CAN来完成对各类污水处理 参数的检测及对污水处理设备的控制，用GPRS网络实现灵活的远程监控的分 级污水处理系统方案，孟宪锋29、刘星华3()、耿娇31、陈伟慧32等也分别利用 CPLD、CAN总线、嵌入式web技术、单片射频技术对水质参数的监测进行了 研究探索。在国外，从1980年左右的分布式传感器网络（DSN) 33项目开始，对低功 耗、微型化、高集成度、低价格的无线传感网络也进行了大量研究。韩国一家 污水处理厂为了获取污水中的有机物、氮、磷的参数信息，针对污水水质不稳 定，基于神经网络及在线分析传感器设计了一套实时在线监

21、测系统，成功实现 了无人值守，降低了以往高成本的人工检测34;英国的塞文河污水处理厂利用 一套集监测、控制和决策于一体的系统同时控制3500台设备，取得良好控制效 果的同时精简了庞大的人员编制35。此外，国外众多的公司对污水处理中使用 的在线测量分析仪器进行开发，比较著名的有美国的哈希、安捷伦公司、日本 的TDA公司、德国的LAR及E+H公司等。1.3课题研究的目的与意义从国内外对污水水质参数检测的研究可知，污水处理系统的运行工况及出 水水质与水质情况密切相关。相对于一般的生产过程控制而言，污水处理系统 的参数检测具有多方面的重要意义363738:首先，污水处理的最终目的是降低 污水对环境的污

22、染程度，这就意味着从工作人员必须对污水处理厂排出水的各 项参数进行检测，看是否达到国家相关排放标准，如DO、COD、pH、总氮、 总磷等参数；其次，在污水处理过程中，对各个关键环节的被控参数进行实时 检测，有利于工作人员及时了解水质情况进而对现场设备进行设定、调节，污水得到更好处理的同时，系统的能耗将得到降低，设备使用寿命得到有效延长等。但是，受制于检测技术及成本，目前国内投入或即将投入运营的大部分污水 处理厂所采用的方法主要还是抽取污水样本实验室检测或使用仪器现场测量等 离线检测方法，如TO、TP只能依靠实验室人工测定，其结果虽精准，但对系统 的实时控制已无任何意义；而COD、BOD5等的检

23、测则要花费几小时到5天不等 的时间，测量所使用的仪器或实验设施比较昂贵，并且对改进系统的处理效果 #第2章FPGA与SOPC技术的意义不大。此外，从污水处理厂产区一般布置图1.139可知，污水处理工艺在 不同阶段在空间上相对来说很分散，这意味着在检测参数的过程中，若使用通 信介质在控制现场（污水池）和监控中心进行信号传输，存在着通信介质本身 成本高、布线难、日后维修不便等问题，考虑到即使是同一个参数，为了获取更 有效的值，也会在同一个环节的不同地方进行多点取值，这意味着整个监测系 统中10点数将会很多，如果在污水池及其周边到处布线，将会存在一定的安全 隐患。所以，设计出一款实用性强、成本低、安

24、全可靠的监测系统对于我国污 水处理行业自控水平的整体进步具有重要意义。基于此，本文利用S0PC( System On a Programmable Chip)及局域网单片无线 射频技术设计了一种工作在ISM (Industrial Scientific Medical)频段的在线全自 动监控系统。它能够对污水处理过程中、污水处理后的多项水质参数进行实时 连续自动监测，在控制现场监测到的数据将通过RF技术无线远程至监控中心， 并在监控中心对所监测的参数进行智能分析判断，在出现异常情况时还有语音 报警功能。同时，工程师可以凭借自己的工作经验及语音报警提示在监控中心 记录、分析、处理水质参数数据，并

25、以此控制现场的设备，达到污水处理整个 过程的自动控制，最终使出水水质稳定且符合国家排放标准。1.4课题主要的研究内容及结构 1.4.1课题的主要研究内容本论文设计的监控系统研究的是污水处理各个环节中水质参数的监控问 题，研究的主要内容则是实现整个系统的监测、控制、管理一体化，在一定程 度上实现资源共享，实现全局自动化。根据实际需要，系统主要实现以下几个 功能：(1) 数据获取及传输问题由于控制现场和监控中心存在一定距离，所以系统中的无线数传模块首先 利用在线传感器，对各个参数进行数据采集、信号调理、数据传输和转换，然 后通过无线技术实时传输到监控中心的上下位机，数据得到分析利用的同时实 现数据

26、的存储。(2) 数据控制处理问题在监控中心，工程师根据接收到的数据及语音报警提示，结合自动控制理论及经验，能以自动和人工两种方式对现场设备及相关服务设施进行“优化” 设定，达到良好自控效果的同时，能耗得到降低，设备使用寿命得到延长，污 水处理成本得到降低，并且在降低自己的劳动强度的同时避免了自己在收集信 息上的迟钝、信息丢失和判断错误的弱点。(3) 数据管理运用问题在监控中心，系统对接收到的数据进行数据处理、实时显示事故处理、各 种报表的统计打印等并且能够进行智能诊断，确定污水处理过程是否处于正常 状态。如处于非正常状态，则执行报警及报警服务，最终让系统回归到正常工 作状态。(4) 系统相关服

27、务问题在整个系统设计中，为能实现上述问题外，必须对其辅助模块进行良好设 计，如系统供电间题、系统抗干扰问题及设计通俗的人机交互界面等。1.4.2本论文的结构安排本论文主要是在污水处理水质参数监测中运用单片无线射频技术实现数据 在控制现场和监控中心的通讯，并以监测系统中的报警服务为研究对象，利用 模糊推理对警报信息进行智能分析、判断。此外，首次在污水处理中引入语音 报警功能，实现了系统异常情况下的语音报警，全文主要内容安排如下：第一章阐述了本论文的选题背景与研究意义，对污水处理中的自控技术及水 质参数监测的发展及国内外研究现状进行了综述，提出了本论文所要解决的问 题及给出了本论文主要的研究内容。

28、第二章对FPGA及SOPC技术进行了详细阐述，并对SOPC技术在无线通讯 领域的研究进行总结与研究，进一步确立本论文的研究路线。第三章对水质参数无线监测系统的硬件需求进行分析，并对控制现场和监控 中心的硬件进行独立设计，完成了信号采集与处理、数据无线收发、上下位机 通讯等接口设计=第四章对整个水质参数无线监测的软件进行设计，完成了系统各模块的驱动 和应用设计，在Nios中实现模糊推理算法，并对数据的收发及模糊报警进行仿 真测试。第五章对当前工作做出总结，对设计的后续工作及完善做出展望。第2章FPGA与SOPC技术目前市场上的较高端的微处理器以ARM、DSP、FPGA为主，这三者的应 用领域各有

29、千秋。ARM，一款低成本的32位的RISC微处理器，具有比较强的事务管理功能， 可以跑操作系统及应用程序等。此外，由于它的架构可提供一系列内核、体系 扩展、微处理器和系统芯片方案，不同用户可根据自己实际需要向生产厂商定 制生产自己的产品，所以其优势主要体现在灵活适应性及系统控制领域。DSP，是以数字信号来处理大量信息的微处理器，具有强大的数据处理能力 和较高的运行速度的优势，其主机主要功能是计算。它能够实时快速地实现各 种数字信号处理算法，比较适合应用于嵌入式的信号处理系统开发。FPGA，由于可以在设计、开发及验证阶段进行编程、除错、再编程和重复 操作及系统升级等操作，所以相比ARM和DSP具

30、有更强的灵活性。此外，越 来越多的FPGA内部被植入DSP模块、microblaze软核、Nios软核等内核，从 而使其能实现数字逻辑的同时，还具备DSP的高速处理，满足嵌入式开发基本 需求等能力，因而是一款集成度、可靠性高的综合性器件。2.1 FPGA 简介FPGA，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基 础上发展而来的一种新型高性能可编程器件。它是作为专用集成电路(ASIC)领域 中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编 程器件门电路数有限的缺点。FPGA芯片作为当今数字系统设计的主要硬件平台，如图2.1所示，其内部主 要由七部分组成

31、网：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟 管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件 模块。FPGA利用小型查找表(16x1 RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一 个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动!/，由此构成了既 可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间 利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。由于FPGA允许反复擦写，无限次的编7第2章FPGA与SOPC技术图2.1 FPGA内部结构程，所以在修改和升级时，不需额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和 更新程序，把硬件设计工作转化为软件开发工

32、作，从而缩短了系统设计的周期， 提高了实现的灵活性，并降低了系统的各项成本。2.2 SOPC技术介绍 2.2.1 SOC技术简介嵌入式系统(Embedded System )是当今最热门的概念之一，嵌入式系统是嵌 入到对象体系中的专用计算机系统，包括硬件和软件两大部分。硬件包括处理 器、存储器、输入输出接口和外部设备等，软件包括系统软件和应用软件，嵌 入式系统的系统软件和应用软件紧密结合。随着半导体技术的不断发展，在1C产业经历了电路集成，功能集成以及技术 集成之后，片上系统(System on a Chip, SOC)成为嵌入式应用领域的热门方向之 一41。SOC最大的特点是成功实现了软硬件

33、的无缝结合，直接在处理器芯片内 嵌入操作系统的代码模块。开发人员只需要根据实际需要使用相应的开发工具， 将处理器、存储器和接口逻辑等集成在一起，并开发相应的软件，编译仿真之 后就可以直接交付芯片厂商进行生产，进而应用。表2.1是目前几种成熟的SOC 方案。与普通的集成电路相比，SOC不再是一种功能单一的单元电路，而是信号采 集、处理、转换、存储、处理与输入/输出等功能等完整的系统功能集成在一起， 成为一个专用功能的电子系统芯片42。它除了具有集成度高、速度快、功耗低、 体积小、系统性能好、成本低等优点外，还具备以下几个特点41:(1) 系统规模大，结构复杂；(2) 频率局，时钟结构复杂；(3)

34、 工艺水平要求高；(4) 芯片功能复杂。表2.1三种SOC方案的比较43指标基于ASIC的SOC基于FPGA的SOC基于 HardCopy 的 SOC单片成本低较高较低开发周期长（20周）短（10周）较短（20周）开发成本设计工程成本高 掩膜成本高 软件工具成本高设计工程成本低 无掩膜成本 软件工具成本低设计工程成本低 掩膜成本低 软件工具成本低一次投片 情况一次投片成功率低， 成本高，耗时长可现场配置一次投片成功率近】00%，成 本低，耗时短集成技术0.25 卩 m 90nm0,25 洋 m 90nm0.25|im90nm可重构性不可重构可重构不可重构2.2.2 SOPC技术的概念及特点以往

35、，SOC通常是专用集成电路(ASIC)实现，从表2.1可知其开发周期长， 生产成本高，产品不能进行修改。随着可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD)的广泛应用，基于FPGA的SOC，即可编程片上系统(System on a Programmable Chip, SOPC )技术凭借着开发周期短、成本低及能够进行现场配置等优点有了长足发展。SOPC是作为一种灵活、高效的SOC解决方案，最早由美国Altera公司于 2000年提出，它将处理器、存储器、I/O 口、高速总线等系统设计需要的功能模 块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统43。它将具有至少

36、一 个嵌入式处理器内核、小容量的片内高速RAM资源、足够的片上可编程逻辑资 源，并具有处理器调试接口和FPGA编程接口等。此外，从Altera公司的技术提供的文档可知，SOPC的设计是以IP为基础，以硬件描述语言(VHDL、VerilogHDL等)为主要设计手段，借助于EDA工具进行的。所以与传统的专用集成电路设计技术相比，它又有如下特点44:(1) 设计里面：电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、系统 软设计，直至整个系统都在计算机进行，需要的只是一个开发平台；(2) 设计技术直接面向用户，即专用集成电路的被动使用者同时也可能是 专用集成电路的主动设计者；(3) 系统级专用集成电路的

37、实现有了更多的选择，除了 ASIC器件外，还 可以通过FPGA等可编程器件来实现。2.2.3 Nios II软核处理器与Avalon总线SOPC开发的设计核心之一就是嵌入式处理器的设计，2004年6月，Altera公司在第一代可配置嵌入式软核处理器Nios基础上推出了基于五级流水线、哈佛 结构、性能更加强大的Nios II处理器，性能超过200 DMIP43。Nios II采用32位指 令集，具有32位数据通道和可配置的指令以及数据缓冲。此外，它可以很容易 地与用户逻辑相结合，除了可以在多种系统设置组合中进行选择，还可以灵活 配置其标准外围设备（PIO、UART、以太网口和存储器接口等）及软件

38、库，并 集成到Altera FPGA器件中。表2,2详细列出了 Nios II系统3种内核及其部分特性。表2.2 NiosII处理器内核性能表特性处理器内核Nios II/eNios II/sNios II/fDMIPS/MHz(l)0.150.741.16性能最大 DMIPS (2)31127218最大工作频率(f_)(2)200 MHz165 MHz185 MHz大致尺寸（以LE为单位）7001,4001,800流水线阶数156外部寻址空间2G字节2G字节2G字节9第2章FPGA与SOPC技术JTAG 接口DRAM以太网图2.2 Nios处理器系统图2.2给出了一个Nios处理器系统的结构

39、框图，从图中可知Nios处理器系 统一般包含带指令和数据高速缓存的Nios CPU、片内调试模块、直接存储器存 取（DMA)控制器、常用外围设备（PIO、UART、以太网端口和存储器接口等) 和并行多控制器Avalon交换结构总线等。表2.3则列出了 Nios嵌入式处理器常 见的外围设备及特性说明。表2.3 Nios外围设备库外围设备说 明定时器32位定时器，能被用作周期性脉冲发生器或系统监视定时器PIO132位并行I/O接口（输入、输出和边沿捕捉）UART通用串行接口，波特率、数据位、校验位和停止位可调，流量控制信号可选SPI3线主/从串行外设接口DMA控制器在外围设备和存储器之间有效地进行

40、批量数据传送存储器接口连接片内ROM、RAM,片外SRAM、Flash、SDRAM和串行配置器件以太网接口与可选的Nios以太网开发套件一起使用用户逻辑接口连接片内用户逻辑或片外器件Nios嵌入式系统中，Avalon交换结构总线起着外围设备和Nios CPU“沟通” 的作用。Avalon交换结构总线是Altem公司开发的用于Nios嵌入式处理器的参 数化接口总线，由一组预定义的信号组成，用户用这些信号可以连接一个或多 个IP模块。Avalon交换结构总线的逻辑可通过Altera的SOPC Builder系统开发工具自动地产生，且只消耗少量的FPGA资源。Avalon交换结构总线除了具有 基于向

41、导的配置、多达4GB的地址空间、同步接口、带延迟的读写传输、数据 流处理等特性外，还具有2个传统总线无法实现的重要特性：(1) 并行的多控制器控制器从属设备在传统的总线结构中，单个仲裁器控制一个或多个总线控制器与总线从属 设备通信，由于每次只能有一个控制器可以存取系统总线，故对大量数据的交 换构成了带宽瓶颈，如图2.3所示。图2.3传统总线结构控制器从属设备Avalon交换结构总线使用从属设备侧仲裁技术，使并行多控制器操作最大 限度地提高系统性能。如果多个控制器同时存取从属设备，则由从属设备侧仲 裁决定哪一个控制器得到从属设备的存取权，如图2.4所示。图2.4并行多控制器Avalon交换总线结

42、构在这样的系统中，快速以太网等高速外围设备可以在不暂停CPU的情况下 直接存取数据存储器。通过允许独立于CPU的存储器存取，Avalon交换结构总 线优化了数据处理过程，提高了系统吞吐量。11第2章FPGA与SOPC技术 #(2) 动态的外围设备接口大小动态的总线大小允许开发者使用低成本的窄的存储器件，即存储器件可以 和Nios CPU的总线大小不匹配，SOPC Builder会自动地添加完成大小调整和定 位调整所需要的专用逻辑。设计者能够使用SOPC Builder系统开发工具针对自 己的设计需要及资源要求配置自己的Nios处理器。由于上述两个重要特性的存在，Nios嵌入式系统的开发工作得到

43、大大简化， Nios系统的适应性和灵活性得到大大增强，系统的扩展及升级也得到了极大的 简化。2.2.4 Nios嵌入式系统开发流程Nios嵌入式系统的开发流程包括硬件开发和软件开发两大部分45，如图2.5 所示，主要使用Altera公司的EDA集成开发软件Quartus II配合其提供的SOPC Builder及Nios II IDE软件进行设计。硬件开发主要是在SOPC Builder构建整个 NiosII系统的核心，并配合相关的外围电路（如PLL、Delay、门电路等)，最终 得到包含用户设计Nios II硬件系统设计的ptf文件、硬件描述语言(HDL)文件、 Quartus II符号模块

44、文件等43，图2.6给出了基于SOPC Builder的硬件一般开发 流程；软件开发的平台为Nios II IDE,它为软件开发提供了 4个主要功能：工程 管理器、编辑器和编译器、调试器以及闪存编程器43】。实际开发时，首先获取 目标Nios II系统的SDK，建立和编译应用软件，然后把可执行代码下载到目标 板中进行调试和运行，调试好的程序将转换成自启动代码，存放在外带的Flash 或者配置芯片EPCS中，最终通过USB Blaster或者JTAG下载到目标硬件。选择组件定制/集成验证/构造图2.6 SOPC Builder设计流程2.3 SOPC在无线通讯领域的研究应用正因为SOPC技术作为

45、一种灵活、高效的SOC解决方案，其得到了越来越多 的认可及推广。近年来，由于SOPC技术优势所在，其在无线传感通讯领域的发 展也步入了一个新的阶段，国内科研人员也对其展开了大量研究。刘志坚46】等利用SOPC在Cyclone II系列芯片中，结合HT12E编码器和 HT12D解码器实现了一个远程RF无线通信系统，并和以Intel 96系列16位微 控制器为核心的通信系统从处理速度、设计灵活性、可靠性及性价比等方面进 行比较，得出基于SOPC技术的RF通信具有明显的优势。赵华等47】利用SOPC 技术及单片无线射频芯片nRF240I开发出了一种基于无线传感网络的室内安全 环保监控系统，实现通过检

46、测室内的空气质量、温湿度、漏水、漏气和火警信息 等信息判断居室的安全环保与否，信息的传递及执行机构的控制则是通过室内无 线传感网和广域无线网结合的方式远程实现。陈敏聪48利用Altera SOPC硬件平 台设计了一个WiMAX系统平台实现的方案，系统中，物理层采用OFDM系统， 运行于FPGA上，MAC层程序则是基于Nios II软核处理器和嵌入式操作系统 MicroC/OS-II，并通过添加NicheStack TCP/IP协议栈模块与PC机的应用程序 进行交互通信，并用一个点对多点的多媒体节目实时点播系统对整个设计进行 验证，取得良好效果。谢云49则是针对机器人足球比赛系统中多机器人组成的

47、 分布式问题，首次在其引入SOPC技术，成功解决了全自主机器人足球比赛系 统通信系统中非视觉多传感器子系统的设计难题，并且充分利用SOPC技术的 灵活性、可扩展性、可重用性等优势成功实现了足球机器人多传感子系统的集 中管理、分布控制和系统可扩充性。梁龙5G搭建了一个不依赖于任何固定网络 第3章水质参数无线监测系统的硬件设计设施又能快速布设的自组网通信平台，利用SOPC技术对远距离的通信节点进 行设计，通过其现场组网的几个实验模拟验证，获得组网成功，同时提出了组 网中的一些不足及改进策略。17第3章水质参数无线监测系统的硬件设计3.1系统性能需求及功能描述从第一章对国内外污水处理的研究现状可以看出，在污水处理中引入智能 化控制系统、使用智能在线分析仪表、对整个污水过程进行组网监测、在控制 中采用合适的智能控制算法等措施可以提高污水的处理能力，确保出水水质稳 定。此外，从第二章对无线技术在污水处理中的应用可以看出，由于无线数传 具有无方向性，能穿透障碍物、不受工业热辐射的影响，按频率不同可划分为 不同的信道，也可在相同频率下对不同的发射机、接收机按不同的地址方式进 行编码51等优势所在，可以很好的解决以往在线控制中存在的布线难、布线成 本高、维修不便等问题。在污水处理中，对于己经投入研究或者运用的无线技 术进行