摘要：智能溫室是近年逐步發展起來的一種資源節約型高效農業發展技術，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題，其智能化和效率有待提高。在此通過對目前智能溫室控制器的分析研究，提出并設計了一款16位的的單總線專用CPU，且專門針對于智能溫室測控系統設計了一個浮點運算器和n個Comparray比較器，并使用VHDL語言在QuartusⅡ6．0中進行設計與仿真。所以，該CPU不但具有通用CPU的基本特性，而且更具有在農業溫室控制系統領域的特殊性。
關鍵詞：測控系統；專用CPU；Comparvay比較器；VHDL語言

溫室環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行分析與處理后，控制其執行機構對溫室的環境進行自動調節與控制，以達到為作物的生長發育創造最佳環境條件的目的。

1 目前智能溫室環境測控系統控制器分析
由于處理器核心技術的不斷進步，溫室控制系統處理器的處理能力也在飛速發展，種類也在不斷增多。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)工業控制機
在這種溫室控制系統中其核心處理器是以工業控制機為中心的。其余2個模塊：一個主要由用于環境因子采集的各類傳感器組成；另一個模塊主要由各種執行機構組成。控制系統的主要特點是多輸入和多輸出閉環控制，所以硬件的開發量比較小，軟件組態方面也比較方便，市場很容就能夠買到所需要的硬件及軟件。工業控制機的一個顯著的特點是具有標準通信接口，因此很容易實現溫室的群控和網絡化。其缺點是：一方面是成本較高，因為工業控制機及相應的組態軟件都需要購買；另一方面是集中控制，如果核心的工控機發生了故障，那么將導致整個系統運行遭到破壞。而且在這種以工控機做為控制器的結構中，在進行系統的布線時由于多入多出結構的特點，線路鋪設相當復雜，如果出現了問題在維護起來也十分不方便。
(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。其主要特點是單片能夠對全局環境進行控制和管理，對使用者的素質要求不是很高，操作起來也十分容易，而且投資成本較低。但是在系統搭建時其線路的鋪設十分復雜，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；一般還是通過模擬量或開關量進行信號的輸入、輸出，自動化程度比較低。
(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控制裝置。這種裝置的主要特點就是將傳統的繼電器技術和先進的計算機技術、通信技術等融為一體。運算能力方面能夠進行復雜的邏輯運算和算術運算。其控制能力方面相對較強，對于溫室環境系統來說，它能夠滿足長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單。缺點是不能獨立進行控制需要和上位機進行聯合，因此在資金投入方面很大，普通的農業用戶在經濟能力上無法承受。
(4)嵌入式控制器
嵌入式控制器是由通用CPU演化而來的，隨著嵌入式系統的快速發展，應用領域也不斷擴展。再加上其“專用”的特點，在溫室控制系統中的應用在日趨增多。

2 專用CPU的設計
雖然微處理器的技術在飛速的發展，處理能力也在不斷的增強，從4、8、16、32至64位，但通過調查發現，16位的微處理器經歷了這么多年的發展之后，生命力依然十分旺盛，在市場上具有相當高的占有率。與從16位機迅速的向32位、64位過渡的通用的計算機相比，16位微控制器從誕生至今，雖歷經了從單片微型計算機到微控制器、微控制器到SoC的變遷，但在嵌入式領域16位機依然是中低端應用的一種主要機型，而且在未來相當長的一段時間內，這個勢頭仍然會持續下去。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，所以其技術發展道路走向是完全不同的。根據智能溫室測控系統的特點，在最大限度地滿足數據的采集、控制、可靠性和低功耗等品質的要求下，16位機具有很強的速度潛力，因此本所設計的專用CPU為16為CPU。作為智能溫室環境測控系統的專用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溫室控制系統領域的特殊性。
2．1 專用CPU的組成結構
圖1是一個16位的采用了RISC思想的單總線CISC CPU處理器結構。

此CPU單獨設置了一個8段的流水FLOAT(浮點型運算器)、一個ALU(定點運算器)、一個PcCount(程序計算器)、一個InstrReg(指令寄存器)一個Shift(移位運算器)、一個ComP(單比較器)、一個Compn(比較器組、n為可擴充)、一個Controller(控制單元)、一個AddrReg(地址寄存器)和八個．Reg0…Reg7(16位寄存器組)，它們共用一組16位的三態數據總線。其工作流程和通用CPU相同，不同的專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。
該結構中有專門針對于智能溫室測控系統而設計的一個浮點運算器和n個Comparray比較器。一方面由于本智能溫室環境測控系統的一個很重要的功能就是硬件實現智能控制方法，同時運算模塊主要對由采集模塊所采集的環境因子進行比較分析和處理，而所采集數據通常是浮點數，所以本文在CPU的運算單元中增加了單獨的浮點運算器；另一方面因為在智能溫室測控系統中要隨時對溫度、濕度、CO2濃度等數據與作物生長的最佳值比較，如果數值超越了警戒線，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節，而且也節省了時間。