大規模區域監控與通信系統的SOPC芯片組

　　0 引 言

　　區域監控應用非常廣泛，早期出現的智能大廈的煙火報警和能源供應系統、工業(yè)的溫度壓力多點(diǎn)監控系統等，到目前的智能小區、環(huán)保監測等。一個(gè)區域監控分為幾個(gè)分區，如智能大廈的一層為一分區，使用一個(gè)主控機和幾個(gè)分機構成分布式處理。區域監控的發(fā)展趨向于大覆蓋范圍，更細密的傳感點(diǎn)，各點(diǎn)更多信息量，而對信息的傳輸和處理質(zhì)量則要求更高，基本不能虛、漏報信息。典型如三峽庫區的一系列環(huán)境和安全的區域監控系統，充分體現了上述特點(diǎn)。

　　1 設計思想

　　1.1　現階段和發(fā)展提出了亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題

　　現在，同一區域內混布了各種功能的監測傳感器，類(lèi)型、精度利速率各式各樣，因而必然要求控制設備能動(dòng)態(tài)配置或在線(xiàn)更新，以適應不同類(lèi)型傳感器利不同總線(xiàn)通信協(xié)議：也就是說(shuō)能方便地配套各種功能傳感器。

　　并且，控制設備還應該方便動(dòng)態(tài)地適應不同的區域，不必繁瑣安裝利調試；所謂強通用性，能用于各種場(chǎng)合。

　　再者，區域規?？焖贁U大、傳感點(diǎn)密度增加，卻要繼續保證信息更高速率和更高處理質(zhì)量；必然要求全部設備精簡(jiǎn)、易擴展、更低成本、布局簡(jiǎn)化；所謂能滿(mǎn)足新一代需求的高效性能，同時(shí)更低成本、更精簡(jiǎn)設備、模塊化方便易用。

　　另外，新一代區域監控系統中，一些監測點(diǎn)還需要實(shí)時(shí)性、優(yōu)先權和特殊處理等更高的功能要求；也就是說(shuō)必須改變不能對各點(diǎn)作綜合細致分析的現狀，功能上細致到能對每個(gè)點(diǎn)個(gè)性化處理的新層次。

　　1.2  繼續應用現有系統設計思想將面臨的困境

　　通常，多點(diǎn)信息只要經(jīng)過(guò)濾波除噪、鑒別篩選等簡(jiǎn)單的信息處理，上位機就能根據信息的處理給出一監控區域分成多個(gè)分區模式的分布式處理。

　　但區域監控現階段和發(fā)展過(guò)程已經(jīng)提出非常強大的信息處理需求。再由上位機來(lái)完成多點(diǎn)信息的主要處理過(guò)程，則一部分會(huì )要求上位機極高頻率，即使上位機提升性能勉強應付，也影響上位機的控制職能，不便優(yōu)化系統和擴展規模，不符合工程模塊化的全球趨勢。更主要在于隨規模進(jìn)一步擴大，系統設計將進(jìn)入死角。即使上位機采用最先進(jìn)的主機系統，也根本不可能應付。如對多個(gè)點(diǎn)的并行實(shí)時(shí)的個(gè)性化處理等。

　　簡(jiǎn)言之，區域規模飛速擴大和對信息更高的處理要求，已經(jīng)完全超出現有多點(diǎn)區域監控的多分區模式所能解決的范疇。多點(diǎn)區域監控的發(fā)展趨勢已要求誕生一種新的分布式處理模式，和相關(guān)的監控系統設計思想理論。

　　1.3   多重上位機分布式處理思想

　　借鑒時(shí)分復用(TDM)的通信調制思想，以功能的精細分割復用來(lái)搭構出巨大繁瑣的功能體，在新的層次上適應了區域規模的擴大，全系統性能質(zhì)的提高區域分布龐大的監測點(diǎn)，各點(diǎn)的信息處理要求可以分為兩過(guò)程：第一過(guò)程實(shí)時(shí)性強，以繁瑣龐大的運算處理、通信傳輸為主，目標為分析出一點(diǎn)信息的最終結論，不妨稱(chēng)該過(guò)程為“監測信息的前期分析”；第二過(guò)程則針對該點(diǎn)信息結論輸出相應動(dòng)作的驅動(dòng)信號，因此功能精簡(jiǎn)、控制性強，不妨稱(chēng)該過(guò)程為“監測信息的響應動(dòng)作輸出”。

　　多重上位機分布式處理思想就是將常規監控系統的所有測控功能完全肢解，繪制出樹(shù)型結構的功能圖，每一節點(diǎn)細分為一功能模塊；葉節點(diǎn)模塊就分布到需要該功能的監控區域中，構成該區域的一小型獨立上位機系統；多個(gè)小型上位機又按功能關(guān)系與父節點(diǎn)構成中型功能的新一層上位機系統；依次而上，構成多重分布式的上位機系統；樹(shù)型的多重上位機系統借鑒通信中對信息多階TDM(時(shí)分復用)調制的思想，將集中于一體的上位機的各種功能看作通信中的各種初始信息，對龐大繁瑣的功能體進(jìn)行功能的細分復用，于是就像TDM調制實(shí)現了將龐大的信息精簡(jiǎn)傳輸處理一樣，達到將繁瑣復雜的功能體系以精簡(jiǎn)的功能節點(diǎn)和節點(diǎn)關(guān)聯(lián)結構來(lái)實(shí)現的目的。因為各節點(diǎn)上位機功能簡(jiǎn)明專(zhuān)一，所以性能突出，設備很精簡(jiǎn)；該思想的節點(diǎn)(上位機)數增加很多、節點(diǎn)功能簡(jiǎn)單，所以用門(mén)電路實(shí)現各節點(diǎn)上位機硬件，在技術(shù)和成本上都最合適；動(dòng)態(tài)配置技術(shù)可在硬件上減少上位機數量。

　　該思想與常見(jiàn)分布式思想也有本質(zhì)區別：尋常的分布式一般按主從機結構，以邏輯、分區功能、簡(jiǎn)便等角度衡量出主從機分布圖，沒(méi)有完全固定的模式，每一上位機都包含了比較全面復雜的控制功能，可以獨擔一面。但該思想中，所有節點(diǎn)都是最精簡(jiǎn)的專(zhuān)一功能點(diǎn)，不存在主從的概念，只有子節點(diǎn)、父節點(diǎn)等關(guān)系起來(lái)的結構網(wǎng)才體現出復雜的功能體；所以各節點(diǎn)上位機可以有固定的標準功能，構成全部樹(shù)型網(wǎng)的各設備能有統一的模式，因此設計人員的工作在于各節點(diǎn)的具體位置和關(guān)聯(lián)線(xiàn)。也因此說(shuō)明采用門(mén)電路器件實(shí)現各節點(diǎn)的硬件優(yōu)勢。區域監控的發(fā)展趨勢主要針對海量信息“前期分析”過(guò)程提出了相當高要求。因此，若將大規模區域監控系統劃分為“前期分析”出信息結論和“響應動(dòng)作輸出”兩部分，則多重上位機分布式處理系統的根節點(diǎn)就是實(shí)現“響應動(dòng)作輸出”功能的上位機，也即最頂層上位機主控制機，其余的節點(diǎn)網(wǎng)構成“前期分析”網(wǎng)，下面稱(chēng)作“信息分析部件”：

　　1.3.1　系統流程上：信息分析部件對每一監測點(diǎn)配置一條實(shí)時(shí)流水線(xiàn)，進(jìn)行個(gè)性化預處理，完成各點(diǎn)前期信息分析過(guò)程；對所有監測點(diǎn)的前期信息分析進(jìn)行綜合預處理，將信息結論傳輸到根節點(diǎn)上位機；根節點(diǎn)上位機只負責動(dòng)作輸出過(guò)程；根節點(diǎn)采用常規微處理器；信息分析部件由多個(gè)門(mén)電路數字芯片來(lái)實(shí)現，架構出各節點(diǎn)網(wǎng)。如圖1。

　　1.3.2　器件選擇上：信息分析部件選用實(shí)時(shí)性強的并行門(mén)電路芯片來(lái)實(shí)現，便于靈活構筑出功能節點(diǎn)網(wǎng)；根節點(diǎn)上位機仍采用常規單片機，因此對現有常規監控系統的升級只需要將信息分析部件嵌入到原有上位機與各點(diǎn)傳感器間，充分利用系統的原有設備。

　　1.3.3　配套功能上：信息分析部件能動(dòng)態(tài)配置，以便用于各種區域監控場(chǎng)合；設備精簡(jiǎn)、功能穩定低價(jià)；更主要在于易拓撲、最優(yōu)布局。 2 芯片的系統結構流程

　　2.1　大規模區域監控與通信系統(主ˆ從)芯片的前期信息分析部件流程，如圖2。

　　2.2　大規模區域監控與通信系統(主ˆ從)芯片的多階TDM鏈網(wǎng)流程，如圖3。

　　3芯片主要優(yōu)勢性能的測試和技術(shù)簡(jiǎn)述

　　3.1  多重上位機分布式處理思想變革現有系統的常規設計思想，滿(mǎn)足區域監控發(fā)展的關(guān)鍵所需如上所述，現有多點(diǎn)區域監控系統的性能根本不易于區域大規模的發(fā)展。

　　適應區域大規模擴展的測試性能：測試證明，對前期分析過(guò)程有用專(zhuān)職的信息分析部件(一個(gè)芯片組)來(lái)處理，性能就完全滿(mǎn)足了區域規模擴大所提出的關(guān)鍵需求；且因為對每一監控點(diǎn)配置一條功能流水線(xiàn)，性能還有很大的提升空間。區域規模上具體表現：每芯片的覆蓋半徑200米，每片預設為8監控點(diǎn)；芯片組最大規模1024點(diǎn)，每組容量128片；則每組的最大有效監控區域可達115×107米2以上；每一組芯片負責區域監控的一個(gè)分區，則最大覆蓋范圍是常規區域監控系統一個(gè)極大分區(約104米2，參考文獻5)的103倍，規模擴大到常規思想采用常規設備根本不可能達到的區域范圍；各點(diǎn)流不漲的片內信道速率為4Mbitˆs；多點(diǎn)信息并行處理，芯片運行可靠穩定。

　　信息分析與綜合部件的技術(shù)簡(jiǎn)述：芯片對各路監控點(diǎn)采用并行流水結構，分為接口系統、信息分析系統、結構綜合系統和TDM通信系統，按流程一一簡(jiǎn)述。首先，接口系統根據在線(xiàn)配置的信息，得知各路傳感器的精度位數、總線(xiàn)協(xié)議類(lèi)型，在片內動(dòng)態(tài)給各路傳感器分配相應信號通道，完成各傳感器信息與芯片間的通信；各路信號先并行進(jìn)入到信息分析系統，流程為：濾波除高斯噪聲以整形電平，并剔除突發(fā)噪聲干擾；鑒定傳感器信道類(lèi)型為報警中斷型還是數據型，各路中斷信號進(jìn)入報警中斷型的各條流水線(xiàn)，數據信號到數據型的各條流水線(xiàn)；片內設置8塊特定功能門(mén)電路模塊，所對應的不同處理功能由根節點(diǎn)上位機的“配置作用”在線(xiàn)更新；上位機根據各路監控點(diǎn)不同處理要求，動(dòng)態(tài)配置各特定功能模塊到各路的處理流水線(xiàn)上。完成了先期分析的中斷、數據兩型的信號再經(jīng)由綜合系統，分別區分出信號到達次序，按次序和預置優(yōu)先權得出TDM序列，送到兩種類(lèi)型的多階TDM通信網(wǎng)。

　　3.2   區域最優(yōu)布局

　　3.2.1　最優(yōu)布局：采用多階TDM通信鏈網(wǎng)、主從兩種類(lèi)型的芯片來(lái)構成芯片組的創(chuàng )新拓撲思想，實(shí)現在區域監控一個(gè)分區中的最優(yōu)布局，最簡(jiǎn)布線(xiàn)和極易擴展。區域每層ˆ分區多個(gè)監測點(diǎn)的最優(yōu)布局如圖4，是現有監控分區最點(diǎn)布局中一種最精簡(jiǎn)的布局，各點(diǎn)構成多重TDM通信鏈網(wǎng)。每片8點(diǎn)，擴展多片只需每芯片的片間信道直接級聯(lián)，最大擴展到1024點(diǎn)，128片，非常簡(jiǎn)便。

　　3.2.12　主從芯片方式的拓撲技術(shù)簡(jiǎn)述：主芯片和從芯片的門(mén)電路結構略有不同，只有主芯片才能做根節點(diǎn)的子節點(diǎn)，才有與根節點(diǎn)上位機進(jìn)行雙工通信的TDM收發(fā)模塊，主芯處與上位機一套信道雙線(xiàn)鏈接，收發(fā)各一鏈；各芯片均帶多片間通信的TDM，每TDM鏈單線(xiàn)雙工，帶寬只有主芯片與上位機信道的一半，構成片間多階TDM網(wǎng)。當傳感器數目在一芯片容量以?xún)?，則直接用主芯片；擴展多路(如N+8路×3位)，則對主芯片再串行級聯(lián)上位機的[Nˆ8]個(gè)從芯片。直接串聯(lián)聯(lián)線(xiàn)?？蓴U展到最多128片。主從芯片的多重TDM網(wǎng)，實(shí)現了輕易擴展、最優(yōu)布局布線(xiàn)的特點(diǎn)；成本節??；主從芯片結構有別，完全利用門(mén)電路資源。。

　　3.3  動(dòng)態(tài)配置使得新監控系統通用性強

　　3.3.1　動(dòng)態(tài)配置芯片的接口、動(dòng)態(tài)改變功能流水線(xiàn)結構的測試性能：新的監控系統能適用各區域監控場(chǎng)合；而且即便對原有監控系統的升級，由于芯片能混接各型傳感器，所以能保留原已安裝的傳感器，并混裝新的傳感器，因此升級變得更簡(jiǎn)單更低投入。

　　芯片的接口系統采用動(dòng)態(tài)配置，并動(dòng)態(tài)組合構成流水線(xiàn)的各功能模塊在流水線(xiàn)的序列位置；芯片設置8路×3位傳感器接口；芯片的接口性能顯示芯片能在線(xiàn)配置接口協(xié)議，支持I2C、串行、One2Wire、SPI，或任意幾路位組合為并行通信，混接各型傳感器，每芯片最大可接24路×1位的傳感器。芯片動(dòng)態(tài)接口系統的流程如圖5。

　　3.3.2　對各點(diǎn)動(dòng)態(tài)配置各型協(xié)議的通信信道來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)配置的技術(shù)簡(jiǎn)述：芯片信號引腳為雙向IˆO。芯片群運行前，上位機將各路傳感器的協(xié)議和連接的引腳號在線(xiàn)配置給芯片，接口組合模塊動(dòng)態(tài)組合對應的多個(gè)引腳構成一路傳感器的信號接口，并配置每路接口到一相應通信協(xié)議的信道上。每個(gè)信道完成一種通信協(xié)議的雙工通信，共有UART串行，并行(8bit，11bit，12bit，16bit，20bit，24bit)，I2C，SPI，one-wire類(lèi)型，并且在線(xiàn)更新升級。

　　3.4　遠程高精度

　　3.4.1　遠程通信的測試性能：配套8個(gè)UART型監測傳感器，以簡(jiǎn)單的串口通信設備和RS232協(xié)議，組成的區域監控實(shí)驗顯示，在校園環(huán)境監控區域半徑200米，各信道速率吻合設計，芯片穩定工作；更突出的市場(chǎng)優(yōu)勢在于，采用上述簡(jiǎn)單的通信設備，在所觀(guān)測的30分鐘內收發(fā)數據100%準確率，信息沒(méi)有任何差漏。測試證明編碼信道相當高效，芯片可穩定實(shí)現數據低成本的高效遠程中速多點(diǎn)通信。

　　3.4.2　多重TDM鏈網(wǎng)和編碼信道實(shí)現數據高速高精度通信的技術(shù)簡(jiǎn)述：多重TDM網(wǎng)收發(fā)標準的幀，不同傳感器信號先在各流水線(xiàn)的各型協(xié)議信道中轉換為標準幀格式，由各路信道中的雙口RAM實(shí)現格式轉換。為了標準通訊幀高效傳輸，TDM網(wǎng)中設計兩條TDM雙工鏈，分別對應一位中斷信號的報警型傳感器和給出多位數據信息的數據型傳感器。每條TDM雙工鏈由一套片內的多個(gè)信號通道、緩存棧，TDM序模塊和TDM收發(fā)模塊，和一套芯片間的TDM級聯(lián)鏈組成。鏈上速率4Mbit/S。多芯片級聯(lián)擴展群中，從芯片與主芯片間按多階TDM級聯(lián)鏈通信，由主芯片完成芯片群與上位機間的雙工通信。遠距條件下，在TDM收發(fā)模塊中在線(xiàn)配置數據的遠距編碼信道。

　　3.5　在A(yíng)CEX1K100的FPGA上配置門(mén)電路網(wǎng)表流片成該ASIC(0.18工藝)，哈佛結構，并行實(shí)時(shí)、SOPC、低功耗成本、保護產(chǎn)權

　　4  結 論

　　4.1  創(chuàng )新的系統和技術(shù)理論滿(mǎn)足了區域監控發(fā)展的關(guān)鍵需求

　　為著(zhù)眼解決目前區域監控發(fā)展趨勢中的一些關(guān)鍵需求，創(chuàng )新的細分復用思想高效針對了區域規模擴大和監測點(diǎn)密度增加所導致的繁瑣龐大控制功能要求；測試證明該設計思想保證了區域監控發(fā)展趨勢所需的高技術(shù)性能；精簡(jiǎn)、模塊化、統一的設備體系。

　　4.2　測試證明芯片性能符合規模擴大的各種要求，市場(chǎng)優(yōu)勢明顯

　　測試顯示，芯片組應用方法簡(jiǎn)明，性能穩定；每路流水線(xiàn)上能通過(guò)在線(xiàn)配置得到對該路的個(gè)性化要求，具體分析每一路的信息特征，并挖掘出所需的重要信息結論。性?xún)r(jià)比突出，在市場(chǎng)具有優(yōu)勢地位。以動(dòng)態(tài)配置來(lái)適合廣泛應用場(chǎng)合；SOPC在線(xiàn)更新；系統可以部分高速或低速動(dòng)態(tài)配置流水線(xiàn)功能，節省資源，以“柔性”門(mén)電路適應不同的監控區域。

　　4.2  對其他領(lǐng)域研究的參考意義

　　對功能細分復用實(shí)質(zhì)，可以應用到其它領(lǐng)域的研究，并具有同樣的優(yōu)勢：簡(jiǎn)明的功能體系結構，精簡(jiǎn)統一的設備模式，以架構節點(diǎn)關(guān)系為設計重心。各片間、片內信道高頻通訊，可為多點(diǎn)通信網(wǎng)提供應用和設計參考；將系統芯片化，簡(jiǎn)化設備，利于優(yōu)化電路性能，信價(jià)比好，為設備芯片化的研究提供參考；主從式拓撲特征上的設計，也可為多點(diǎn)分布式系統的拓撲布局提供參考。