基于FPGA+DSP遠(yuǎn)程監(jiān)控器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　項(xiàng)目研究的目的和主要研究內(nèi)容

研究目的

為了遠(yuǎn)程對現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備管理和環(huán)境監(jiān)控，并簡化現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備，有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。擬開發(fā)一款遠(yuǎn)程控制器，簡稱RCM遠(yuǎn)控器。該遠(yuǎn)控器將集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、多種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、故障告警、應(yīng)急控制、智能聯(lián)動、內(nèi)嵌WEB配置頁等多項(xiàng)功能。

　　主要研究內(nèi)容

　　1.遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（如圖1所示），其中主要研究內(nèi)容為RCM遠(yuǎn)控器。

圖 1

遠(yuǎn)控器通過RJ45與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)開放式網(wǎng)絡(luò)相連；遠(yuǎn)程瀏覽站通過遠(yuǎn)控器的IP地址和密碼瀏覽并獲取信息；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心則通過網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn)控器實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。在這里，遠(yuǎn)控器是一臺具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和智能處理的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2、RCM遠(yuǎn)控器

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)控器的接口類型如圖2所示，內(nèi)部框圖如圖3所示。主要分為硬件、軟件兩部分：硬件設(shè)計(jì)包括信息采集模塊、DSP信息處理模塊以及FPGA處理器模塊等；軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和FPGA子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等幾部分。

圖2遠(yuǎn)控器接口類型

　　圖3 遠(yuǎn)控器內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)框圖

　　接口說明：

數(shù)據(jù)類

1）AI:16路模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電壓輸入（0-5V DC或0-20mA）；

2）AO:16路模擬量輸出；

3）DI:32 路光隔開關(guān)量狀態(tài)輸入（TTL電平）（4X8）；

4）DO:16 路光隔繼電器控制輸出，16路模擬通道可實(shí)現(xiàn)一對一聯(lián)動；

5）RS232串口：2個(gè)；RS485串口：4個(gè)

6）RJ45:2個(gè)10/100Base-T 以太口（物理接口： RJ-45插座）；連接口：插口；協(xié)議傳送：RTP/IP，UDP/IP，TCP/IP，或組播IP。

7）POWER IN/OUT為電源輸入、輸出。

視頻類

VIDEO IN:4路視頻輸入用于圖像傳輸，1Vpp - 75歐姆；連接口：BNC 陰性。

壓縮方式：MPEG4；傳輸幀率：每秒1-25幀（PAL，可設(shè)置，全實(shí)時(shí)；分辨率： 從176×144到720×576可選（PAL）；176×120至704×480可選（NTSC格式）；帶寬：從30Kbit/sec.至4Mbit/sec?？稍O(shè)置；圖像標(biāo)準(zhǔn)：NTSC制或PAL制；圖像質(zhì)量：可設(shè)置。

音頻類

AUDIO IN:4路音頻輸入，-46至-3dBV--1K歐姆；

AUDIO OUT:4路音頻輸出，-46至-3dBV--最小16歐姆。

接口：3.5mm輸入和輸出立體聲接口。

　　硬件部分

視頻服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

FPGA（裝Linux系統(tǒng)）完成視頻服務(wù)器功能（同時(shí)可以提供一些數(shù)據(jù)接口），對于視頻信號通過流媒體轉(zhuǎn)發(fā)將壓縮后的視頻信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口傳給相應(yīng)的管理設(shè)備（PC機(jī)等）。對于數(shù)據(jù)信號直接通過TCP/IP協(xié)議傳給管理設(shè)備。視頻服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 視頻服務(wù)器實(shí)現(xiàn)框圖

軟件部分

1） DSP子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。這部分包括CPLD/FPGA邏輯控制軟件的設(shè)計(jì)和接口驅(qū)動程序，其中控制邏輯通過VHDL語言實(shí)現(xiàn)邏輯電路；接口驅(qū)動包括：視頻接口驅(qū)動，音頻接口驅(qū)動，串口驅(qū)動，以及AD電路接口驅(qū)動。因?yàn)檫@里DSP主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，所以邏輯控制部分主要放在FPGA中完成。

2） FPGA子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。FPGA部分除了完成一部分?jǐn)?shù)據(jù)接口外，最主要的任務(wù)是完成流媒體和數(shù)據(jù)服務(wù)器功能以及各種控制邏輯（如聯(lián)動邏輯等），其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

隨著現(xiàn)代社會信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控已開始慢慢取代了現(xiàn)場監(jiān)控，國內(nèi)外都展開了積極的研究。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S模式，且受技術(shù)發(fā)展的局限，只能進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)視，簡單的報(bào)警信息傳輸，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸視頻信號，對于前端具體情況的了解、事件的確認(rèn)是非常困難的，無形中降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。尤其是現(xiàn)在企業(yè)為提高勞動生產(chǎn)率，增強(qiáng)競爭力，在平常的生產(chǎn)過程大量采用無人值守模式。而對于有些行業(yè)，如變電站這樣的行業(yè)來說，遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)的監(jiān)控是行業(yè)系統(tǒng)安全運(yùn)作必備的前提條件。目前，基于Web的B/S模式是監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。B/S模式監(jiān)控系統(tǒng)由瀏覽器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。而基于嵌入式Web服務(wù)器，采用B/S模式監(jiān)控的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、小型化提供了有效途徑，嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控已成為監(jiān)控系統(tǒng)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，它的加入避免了現(xiàn)場監(jiān)控的缺陷，節(jié)省管理成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。所以遠(yuǎn)程監(jiān)控在未來的市場中會有非常樂觀的前景，有廣闊的市場。

　　項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

創(chuàng)新點(diǎn)

設(shè)備采用嵌入式技術(shù)和開放的網(wǎng)絡(luò)平臺，通過配置多種傳感器、變送器等，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的模擬數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制，并能對監(jiān)控現(xiàn)場實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，如：適配攝像頭便可以通過網(wǎng)絡(luò)傳遞現(xiàn)場圖像，并通過網(wǎng)頁訪問、控制、配置這些攝像頭，通過ISDN，PSTN，或xDSL路由器，實(shí)現(xiàn)視頻信號在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)或者國際互連網(wǎng)的傳播?？梢酝ㄟ^五類線、光纖或無線媒介在10/100 Base-T網(wǎng)絡(luò)上以每秒25（PAL）幅畫面?zhèn)魉透哔|(zhì)量MPEG4圖像。

該遠(yuǎn)控器將集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、多種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、故障告警、應(yīng)急控制、智能聯(lián)動、內(nèi)嵌WEB配置頁等多項(xiàng)功能。

特色

支持音視頻及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，支持緊急事件告警，支持遠(yuǎn)程軟件升級、更新，支持XML接口與。NET平臺無縫集成，支持多用戶同時(shí)訪問，設(shè)置多級密碼認(rèn)證機(jī)制，適應(yīng)性強(qiáng)，安全性好，精度高，可靠性高，智能程度高，可維護(hù)性好，脫離上位機(jī)時(shí)，可自動根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行工作，且參數(shù)可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)整。