基于FPGA的嵌入式智能管理系統

(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。

片內PPC把風(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)以及智能電源的工作狀態(tài)通過(guò)PLB總線(xiàn)發(fā)送給片內的MAC核，再經(jīng)過(guò)片外的PHY芯片最終上報給上位機。

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先設置的門(mén)限作出正確的操作。若超過(guò)設定值上限或低于設定值下限，則報警；若溫度過(guò)高即將損壞系統時(shí)，則關(guān)機(注：在該測試中，無(wú)需啟動(dòng)風(fēng)機控制系統)。

(1)執行Set Sensor Threshold指令，實(shí)現各門(mén)限值設定；(2)執行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(wú)報警事件產(chǎn)生；(4)基板加溫，超過(guò)各門(mén)限值上限，有報警事件產(chǎn)生，過(guò)高時(shí)斷電；(5)基板降溫，返回室溫時(shí)正常工作；(6)基板繼續降溫，超過(guò)各門(mén)限值下限時(shí)，有報警事件產(chǎn)生。

經(jīng)測試獲得的各溫度門(mén)限值與預先設置溫度基本一致，但溫度傳感器門(mén)限值設置的合理性還有待進(jìn)一步實(shí)驗來(lái)確定。

設計本智能管理系統基于三個(gè)指導思想：獨立性、高可靠和低成本。本系統的供電獨立于工作模塊，即使其他模塊處于斷電狀態(tài)，本智能系統仍可照常工作。采用一片FPGA和少量外圍設備，最大限度地減少了元器件的數量和品種。同時(shí)，在智能管理模塊和溫度傳感器之間采用簡(jiǎn)單可靠的1-wire總線(xiàn)協(xié)議來(lái)傳遞信息，各工作模塊之間采用I2C總線(xiàn)協(xié)議來(lái)傳遞信息，這些都為日后擴展系統規模及其功能提供了很好的技術(shù)方向。

參考文獻
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