基于FPGA的嵌入式智能管理系統(tǒng)

1、基于FPGA的嵌入式智能管理系統(tǒng)摘 要： 具體介紹了 HYPERLINK /search/?q=嵌入式 o 嵌入式 嵌入式系統(tǒng) HYPERLINK /search/?q=智能 o 智能 智能管理方面的相關(guān)內(nèi)容，建立了一種基于 HYPERLINK /search/?q=FPGA o FPGA FPGA的嵌入式智能管理系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。此外，分析并實現(xiàn)了系統(tǒng)各項基本的智能功能，這對提高系統(tǒng)整體性能有著很大的幫助。關(guān)鍵詞： 智能；嵌入式；FPGA近些年，針對智能管理的研究越來越廣泛，采用的技術(shù)也越來越多，如基于單片機(jī)開發(fā)的智能監(jiān)控平臺1、在Linux內(nèi)核下的智能儀器開發(fā)2、對智能管理的某一個方面進(jìn)行研

2、究3等。隨著嵌入式核心芯片的高速發(fā)展，傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法也隨之改變，嵌入式系統(tǒng)逐漸由板級向芯片級過渡，即片上系統(tǒng)(SoC)，進(jìn)而發(fā)展至如今流行的可編程片上系統(tǒng)(SoPC)。本文就是通過超大規(guī)模FPGA和功能復(fù)雜的IP核來實現(xiàn)一個可編程片上系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用可編程器件內(nèi)的可編程資源以及專用硬核，構(gòu)建處理器、存儲器、邏輯電路和其他專用功能模塊，并在智能管理軟件和算法的配合下完成智能管理的各項功能。所謂智能管理，就是以人類智能結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究人與組織的管理活動規(guī)律和方法的一門學(xué)科，具有很強(qiáng)的實踐性和擴(kuò)展性，體現(xiàn)在本文中就是通過系統(tǒng)本身的智能化操作而非人工干預(yù)的手段去執(zhí)行其在運行過程中所遇到的

3、諸如檢測和控制等行為。對于本系統(tǒng)來說，其主要功能就是系統(tǒng)監(jiān)測、綜合處理，并依靠事先確定的閾值和準(zhǔn)則實施相應(yīng)的控制。其中包括對各關(guān)鍵模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對風(fēng)機(jī)與電源的運行狀態(tài)進(jìn)行管理，并對系統(tǒng)智能管理過程中所得到的一些信息通過以太網(wǎng)上報給上位機(jī)等。1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成1.1 FPGA內(nèi)部硬核系統(tǒng)構(gòu)成FPGA片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)PGA片內(nèi)所有模塊包括 HYPERLINK /search/?q=PPC405 o PPC405 PPC405處理器、MAC核、I2C核、GPIO核及URAT核，都連接到片上高性能PLB總線上，PPC405通過PLB總線來訪問每個IP核，各IP核的大致作用如下：(1)MA

4、C核實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路層硬件，與FPGA片外的PHY芯片實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所需的硬件；(2)I2C核實現(xiàn)I2C邏輯，支持智能管理模塊與各個工作模塊之間的I2C總線協(xié)議，實現(xiàn)I2C總線的檢測與控制功能，如接收各工作模塊的溫度等；(3)GPIO核實現(xiàn)PPC405對FPGA通用I/O管腳的基本操作，可以通過軟件編程來指定各端口的行為；(4)UART核實現(xiàn)PPC405的串口操作，將串口信息傳送至主機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。片上系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)大致描述為：用FPGA實現(xiàn)I2C總線協(xié)議，并與處理模塊對接；用FPGA實現(xiàn)1-wire單線總線協(xié)議，并與溫度傳感器對接；智能管理模塊要求實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)上報功能必須用軟件來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧；用

5、MAC核實現(xiàn)鏈路層功能。為減少器件數(shù)量，提高可靠性，本設(shè)計采用FPGA內(nèi)嵌的PPC405處理器，為此需要使用Xilinx公司的系統(tǒng)開發(fā)工具EDK進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計。1.2 智能管理模塊的構(gòu)成智能管理模塊構(gòu)成如圖2所示。FPGA和125電路共同實現(xiàn)兩路1-wire總線的協(xié)議控制和電平規(guī)范，其中一路通過溫度傳感器來檢測兩個風(fēng)機(jī)組內(nèi)的溫度。同時，另一路125芯片實現(xiàn)I2C總線的協(xié)議控制和電平規(guī)范，并通過I2C總線來讀取機(jī)箱中各個處理模塊的內(nèi)部溫度。FPGA通過網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過串口對智能管理模塊進(jìn)行調(diào)試。FPGA通過和隔離與驅(qū)動電路連接后來控制電源，即相當(dāng)于是程控開/關(guān)電源，以保護(hù)機(jī)箱

6、中的各處理模塊免于因過熱而損壞。該模塊僅采用12 V電源供電，模塊中的其他類型的電源均通過DC-DC轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部產(chǎn)生。1.3 智能管理系統(tǒng)的構(gòu)成智能管理系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。智能管理模塊作為智能管理系統(tǒng)的核心，執(zhí)行著整個系統(tǒng)運行的幾乎所有指令。(1) 智能電源。多電源平衡供電的智能電源模塊，具有短路、過載、過壓及過熱保護(hù)功能，空載可開機(jī)，并且多個電源可以并聯(lián)輸出。(2)溫度傳感器。采用軍品溫度傳感器，置入風(fēng)機(jī)組中用于測試風(fēng)機(jī)通道的空氣溫度。該溫度傳感器只有3個管腳，從右到左分別是VDD(+5 V電源)、DQ(數(shù)據(jù)信號)、GND(地線)。其中，DQ管腳符合1-wire總線協(xié)議，與智能管理模塊相對

7、接。該溫度傳感器的工作溫度范圍廣、精度高、使用簡單可靠。(3)風(fēng)機(jī)組。一個機(jī)箱配兩個風(fēng)機(jī)組，每組由7個大風(fēng)機(jī)組成。每個風(fēng)機(jī)都帶有集電極開路輸出的被檢測脈沖信號，智能管理模塊根據(jù)該信號是否有脈沖波形來判定每個風(fēng)機(jī)是否工作。(4)計算機(jī)。智能管理模塊與計算機(jī)可以通過網(wǎng)口和串口兩種方式進(jìn)行通信，本系統(tǒng)給出了預(yù)留，可以任意選擇，主要功能是上報各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)。2 工作原理智能管理模塊的設(shè)計采用基于FPGA片內(nèi)PowerPC的SoPC技術(shù)，通過PPC405可以很方便地對FPGA的各個I/O端口和內(nèi)部IP核進(jìn)行控制。2.1 對風(fēng)機(jī)溫度的監(jiān)測利用PPC405通過PLB總線控制GPIO核，編程控制I/O端口電平，

8、使其滿足1-wire總線協(xié)議的時序要求，再通過125芯片進(jìn)行隔離并提供溫度傳感器1-wire總線協(xié)議需要的電平。最后，PPC405由1-wire總線讀取溫度傳感器測量的風(fēng)機(jī)處環(huán)境溫度。2.2 對風(fēng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)輸入信號通過連接器進(jìn)入智能管理模塊，經(jīng)過隔離驅(qū)動后進(jìn)入FPGA，PPC再通過PLB總線控制GPIO核，讀取I/O端口輸入電平，再依據(jù)程序設(shè)定來判斷風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)。2.3 工作模塊運行狀態(tài)監(jiān)測PPC通過PLB總線控制I2C核，在I/O端口產(chǎn)生符合I2C總線協(xié)議的時序，再通過125芯片進(jìn)行隔離并提供I2C總線協(xié)議需要的電平，然后PPC再讀取I2C總線的數(shù)據(jù)來確定各工作模塊的溫度和運行

9、狀態(tài)信息。2.4 對智能電源模塊的控制片內(nèi)PPC根據(jù)上述監(jiān)測到的風(fēng)機(jī)處環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)、各工作模塊溫度和運行狀態(tài)，采用一定的控制算法，決定對智能電源模塊的控制狀態(tài)。通過PLB總線管理GPIO核，將智能電源控制狀態(tài)傳遞到FPGA相應(yīng)管腳，再由隔離和驅(qū)動電路對智能電源進(jìn)行管理。2.5 系統(tǒng)運行信息上報本系統(tǒng)信息上報采用以太網(wǎng)協(xié)議，協(xié)議上層軟件通過編程實現(xiàn)；TCP/IP層通過LWIP協(xié)議棧實現(xiàn)；鏈路層由FPGA內(nèi)部的以太網(wǎng)MAC核實現(xiàn)；物理層用智能管理模塊上的以太網(wǎng)PHY芯片實現(xiàn)，并通過模塊上的變壓器進(jìn)行隔離。片內(nèi)PPC把風(fēng)機(jī)處環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)、各工作模塊溫度和運行狀態(tài)以及智能電源的工作

10、狀態(tài)通過PLB總線發(fā)送給片內(nèi)的MAC核，再經(jīng)過片外的PHY芯片最終上報給上位機(jī)。3 性能測試溫度傳感器模塊性能測試主要是為了驗證該模塊能否按照預(yù)先設(shè)置的門限作出正確的操作。若超過設(shè)定值上限或低于設(shè)定值下限，則報警；若溫度過高即將損壞系統(tǒng)時，則關(guān)機(jī)(注：在該測試中，無需啟動風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng))。(1)執(zhí)行Set Sensor Threshold指令，實現(xiàn)各門限值設(shè)定；(2)執(zhí)行Set Sensor Event Enable指令，允許報警事件產(chǎn)生；(3)基板在室溫下工作，無報警事件產(chǎn)生；(4)基板加溫，超過各門限值上限，有報警事件產(chǎn)生，過高時斷電；(5)基板降溫，返回室溫時正常工作；(6)基板繼續(xù)降溫，超過各門限值下限時，有報警事件產(chǎn)生。經(jīng)測試獲得的各溫度門限值與預(yù)先設(shè)置溫度基本一致，但溫度傳感器門限值設(shè)置的合理性還有待進(jìn)一步實驗來確定。設(shè)計本智能管理系統(tǒng)基于三個指導(dǎo)思想：獨立性、高可靠和低成本。本系統(tǒng)的供電獨立于工作模塊，即使其他模塊處于斷電狀態(tài)，本智能系統(tǒng)仍可照常工作。采用一片F(xiàn)PGA和少量外圍設(shè)備，最大限度地減少了元器件的數(shù)量和品種。同時，在智能管理模塊和溫度傳感器之間采用簡單可靠的1-wire總線協(xié)議來傳遞信息，各工作模塊之間采用I2C總線協(xié)議來傳遞信息，這些都為日后擴(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模及其功能提供了很