基于FPGA的嵌入式智能管理系統的設計與實(shí)現

近些年，針對智能管理的研究越來(lái)越廣泛，采用的技術(shù)也越來(lái)越多，如基于單片機開(kāi)發(fā)的智能監控平臺[1]、在Linux內核下的智能儀器開(kāi)發(fā)[2]、對智能管理的某一個(gè)方面進(jìn)行研究[3]等。隨著(zhù)嵌入式核心芯片的高速發(fā)展，傳統嵌入式系統的設計方法也隨之改變，嵌入式系統逐漸由板級向芯片級過(guò)渡，即片上系統(SoC)，進(jìn)而發(fā)展至如今流行的可編程片上系統(SoPC)。本文就是通過(guò)超大規模FPGA和功能復雜的IP核來(lái)實(shí)現一個(gè)可編程片上系統，此系統利用可編程器件內的可編程資源以及專(zhuān)用硬核，構建處理器、存儲器、邏輯電路和其他專(zhuān)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(lèi)智能結構為基礎，系統研究人與組織的管理活動(dòng)規律和方法的一門(mén)學(xué)科，具有很強的實(shí)踐性和擴展性，體現在本文中就是通過(guò)系統本身的智能化操作而非人工干預的手段去執行其在運行過(guò)程中所遇到的諸如檢測和控制等行為。對于本系統來(lái)說(shuō)，其主要功能就是系統監測、綜合處理，并依靠事先確定的閾值和準則實(shí)施相應的控制。其中包括對各關(guān)鍵模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行監控，對風(fēng)機與電源的運行狀態(tài)進(jìn)行管理，并對系統智能管理過(guò)程中所得到的一些信息通過(guò)以太網(wǎng)上報給上位機等。

1 硬件系統構成

1.1 FPGA內部硬核系統構成

FPGA片內結構如圖1所示，FPGA片內所有模塊包括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(xiàn)上，PPC405通過(guò)PLB總線(xiàn)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)IP核，各IP核的大致作用如下：

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

(2)I2C核實(shí)現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(xiàn)協(xié)議，實(shí)現I2C總線(xiàn)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PPC405對FPGA通用I/O管腳的基本操作，可以通過(guò)軟件編程來(lái)指定各端口的行為;

(4)UART核實(shí)現PPC405的串口操作，將串口信息傳送至主機進(jìn)行系統調試。

片上系統硬件結構大致描述為：用FPGA實(shí)現I2C總線(xiàn)協(xié)議，并與處理模塊對接;用FPGA實(shí)現1-wire單線(xiàn)總線(xiàn)協(xié)議，并與溫度傳感器對接;智能管理模塊要求實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )上報功能必須用軟件來(lái)實(shí)現TCP/IP協(xié)議棧;用MAC核實(shí)現鏈路層功能。為減少器件數量，提高可靠性，本設計采用FPGA內嵌的PPC405處理器，為此需要使用Xilinx公司的系統開(kāi)發(fā)工具EDK進(jìn)行軟硬件協(xié)同設計。

1.2 智能管理模塊的構成

智能管理模塊構成如圖2所示。

FPGA和125電路共同實(shí)現兩路1-wire總線(xiàn)的協(xié)議控制和電平規范，其中一路通過(guò)溫度傳感器來(lái)檢測兩個(gè)風(fēng)機組內的溫度。同時(shí)，另一路125芯片實(shí)現I2C總線(xiàn)的協(xié)議控制和電平規范，并通過(guò)I2C總線(xiàn)來(lái)讀取機箱中各個(gè)處理模塊的內部溫度。FPGA通過(guò)網(wǎng)口與上位機進(jìn)行數據通信，并通過(guò)串口對智能管理模塊進(jìn)行調試。FPGA通過(guò)和隔離與驅動(dòng)電路連接后來(lái)控制電源，即相當于是程控開(kāi)/關(guān)電源，以保護機箱中的各處理模塊免于因過(guò)熱而損壞。該模塊僅采用12 V電源供電，模塊中的其他類(lèi)型的電源均通過(guò)DC-DC轉換模塊內部產(chǎn)生。

1.3 智能管理系統的構成

智能管理系統的構成如圖3所示。智能管理模塊作為智能管理系統的核心，執行著(zhù)整個(gè)系統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(guò)載、過(guò)壓及過(guò)熱保護功能，空載可開(kāi)機，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)機組中用于測試風(fēng)機通道的空氣溫度。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(數據信號)、GND(地線(xiàn))。其中，DQ管腳符合1-wire總線(xiàn)協(xié)議，與智能管理模塊相對接。該溫度傳感器的工作溫度范圍廣、精度高、使用簡(jiǎn)單可靠。

(3)風(fēng)機組。一個(gè)機箱配兩個(gè)風(fēng)機組，每組由7個(gè)大風(fēng)機組成。每個(gè)風(fēng)機都帶有集電極開(kāi)路輸出的被檢測脈沖信號，智能管理模塊根據該信號是否有脈沖波形來(lái)判定每個(gè)風(fēng)機是否工作。

(4)計算機。智能管理模塊與計算機可以通過(guò)網(wǎng)口和串口兩種方式進(jìn)行通信，本系統給出了預留，可以任意選擇，主要功能是上報各類(lèi)系統數據。

2 工作原理

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

2.1 對風(fēng)機溫度的監測

利用PPC405通過(guò)PLB總線(xiàn)控制GPIO核，編程控制I/O端口電平，使其滿(mǎn)足1-wire總線(xiàn)協(xié)議的時(shí)序要求，再通過(guò)125芯片進(jìn)行隔離并提供溫度傳感器1-wire總線(xiàn)協(xié)議需要的電平。最后，PPC405由1-wire總線(xiàn)讀取溫度傳感器測量的風(fēng)機處環(huán)境溫度。

2.2 對風(fēng)機狀態(tài)的監測

風(fēng)機運行狀態(tài)輸入信號通過(guò)連接器進(jìn)入智能管理模塊，經(jīng)過(guò)隔離驅動(dòng)后進(jìn)入FPGA，PPC再通過(guò)PLB總線(xiàn)控制GPIO核，讀取I/O端口輸入電平，再依據程序設定來(lái)判斷風(fēng)機運行狀態(tài)。

2.3 工作模塊運行狀態(tài)監測

PPC通過(guò)PLB總線(xiàn)控制I2C核，在I/O端口產(chǎn)生符合I2C總線(xiàn)協(xié)議的時(shí)序，再通過(guò)125芯片進(jìn)行隔離并提供I2C總線(xiàn)協(xié)議需要的電平，然后PPC再讀取I2C總線(xiàn)的數據來(lái)確定各工作模塊的溫度和運行狀態(tài)信息。

2.4 對智能電源模塊的控制

片內PPC根據上述監測到的風(fēng)機處環(huán)境溫度、風(fēng)機運行狀態(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(guò)PLB總線(xiàn)管理GPIO核，將智能電源控制狀態(tài)傳遞到FPGA相應管腳，再由隔離和驅動(dòng)電路對智能電源進(jìn)行管理。

2.5 系統運行信息上報

本系統信息上報采用以太網(wǎng)協(xié)議，協(xié)議上層軟件通過(guò)編程實(shí)現;TCP/IP層通過(guò)LWIP協(xié)議棧實(shí)現;鏈路層由FPGA內部的以太網(wǎng)MAC核實(shí)現;物理層用智能管理模塊上的以太網(wǎng)PHY芯片實(shí)現，并通過(guò)模塊上的變壓器進(jìn)行隔離。