基于FPGA的嵌入式智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

近些年，針對(duì)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(tái)[1]、在Linux內(nèi)核下的智能儀器開發(fā)[2]、對(duì)智能管理的某一個(gè)方面進(jìn)行研究[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(jì)方法也隨之改變，嵌入式系統(tǒng)逐漸由板級(jí)向芯片級(jí)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(shí)現(xiàn)一個(gè)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(chǔ)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(xiàng)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(dòng)規(guī)律和方法的一門學(xué)科，具有很強(qiáng)的實(shí)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(yùn)行過程中所遇到的諸如檢測和控制等行為。對(duì)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(shí)施相應(yīng)的控制。其中包括對(duì)各關(guān)鍵模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)風(fēng)機(jī)與電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，并對(duì)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(bào)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(gè)IP核，各IP核的大致作用如下：

(1)MAC核實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路層硬件，與FPGA片外的PHY芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所需的硬件;

(2)I2C核實(shí)現(xiàn)I2C邏輯，支持智能管理模塊與各個(gè)工作模塊之間的I2C總線協(xié)議，實(shí)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(shí)現(xiàn)PPC405對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)I2C總線協(xié)議，并與處理模塊對(duì)接;用FPGA實(shí)現(xiàn)1-wire單線總線協(xié)議，并與溫度傳感器對(duì)接;智能管理模塊要求實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)上報(bào)功能必須用軟件來實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧;用MAC核實(shí)現(xiàn)鏈路層功能。為減少器件數(shù)量，提高可靠性，本設(shè)計(jì)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(jì)。

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(shí)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(gè)風(fēng)機(jī)組內(nèi)的溫度。同時(shí)，另一路125芯片實(shí)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(gè)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(duì)智能管理模塊進(jìn)行調(diào)試。FPGA通過和隔離與驅(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(gè)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(gè)管腳，從右到左分別是VDD(+5 V電源)、DQ(數(shù)據(jù)信號(hào))、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(duì)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(gè)機(jī)箱配兩個(gè)風(fēng)機(jī)組，每組由7個(gè)大風(fēng)機(jī)組成。每個(gè)風(fēng)機(jī)都帶有集電極開路輸出的被檢測脈沖信號(hào)，智能管理模塊根據(jù)該信號(hào)是否有脈沖波形來判定每個(gè)風(fēng)機(jī)是否工作。

(4)計(jì)算機(jī)。智能管理模塊與計(jì)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(bào)各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2 工作原理

智能管理模塊的設(shè)計(jì)采用基于FPGA片內(nèi)PowerPC的SoPC技術(shù)，通過PPC405可以很方便地對(duì)FPGA的各個(gè)I/O端口和內(nèi)部IP核進(jìn)行控制。

2.1 對(duì)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，使其滿足1-wire總線協(xié)議的時(shí)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(duì)風(fēng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測

風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)輸入信號(hào)通過連接器進(jìn)入智能管理模塊，經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)。

2.3 工作模塊運(yùn)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(shí)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(yùn)行狀態(tài)信息。

2.4 對(duì)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(yùn)行狀態(tài)、各工作模塊溫度和運(yùn)行狀態(tài)，采用一定的控制算法，決定對(duì)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(dòng)電路對(duì)智能電源進(jìn)行管理。

2.5 系統(tǒng)運(yùn)行信息上報(bào)

本系統(tǒng)信息上報(bào)采用以太網(wǎng)協(xié)議，協(xié)議上層軟件通過編程實(shí)現(xiàn);TCP/IP層通過LWIP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn);鏈路層由FPGA內(nèi)部的以太網(wǎng)MAC核實(shí)現(xiàn);物理層用智能管理模塊上的以太網(wǎng)PHY芯片實(shí)現(xiàn)，并通過模塊上的變壓器進(jìn)行隔離。[!--empirenews.page--]

片內(nèi)PPC把風(fēng)機(jī)處環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、各工作模塊溫度和運(yùn)行狀態(tài)以及智能電源的工作狀態(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(bào)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(yàn)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(bào)警;若溫度過高即將損壞系統(tǒng)時(shí)，則關(guān)機(jī)(注：在該測試中，無需啟動(dòng)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng))。

(1)執(zhí)行Set Sensor Threshold指令，實(shí)現(xiàn)各門限值設(shè)定;(2)執(zhí)行Set Sensor Event Enable指令，允許報(bào)警事件產(chǎn)生;(3)基板在室溫下工作，無報(bào)警事件產(chǎn)生;(4)基板加溫，超過各門限值上限，有報(bào)警事件產(chǎn)生，過高時(shí)斷電;(5)基板降溫，返回室溫時(shí)正常工作;(6)基板繼續(xù)降溫，超過各門限值下限時(shí)，有報(bào)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(shí)驗(yàn)來確定。

設(shè)計(jì)本智能管理系統(tǒng)基于三個(gè)指導(dǎo)思想：獨(dú)立性、高可靠和低成本。本系統(tǒng)的供電獨(dú)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FPGA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(shí)，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好的技術(shù)方向。