基于FPGA的嵌入式智能管理系统的设计与实现 - 全文

　　近些年，针对智能管理的研究越来越广泛，采用的技术也越来越多，如基于单片机开发的智能监控平台［1］、在Linux内核下的智能仪器开发［2］、对智能管理的某一个方面进行研究［3］等。随着嵌入式核心芯片的高速发展，传统嵌入式系统的设计方法也随之改变，嵌入式系统逐渐由板级向芯片级过渡，即片上系统（SoC），进而发展至如今流行的可编程片上系统（SoPC）。本文就是通过超大规模FPGA和功能复杂的IP核来实现一个可编程片上系统，此系统利用可编程器件内的可编程资源以及专用硬核，构建处理器、存储器、逻辑电路和其他专用功能模块，并在智能管理软件和算法的配合下完成智能管理的各项功能。

　　所谓智能管理，就是以人类智能结构为基础，系统研究人与组织的管理活动规律和方法的一门学科，具有很强的实践性和扩展性，体现在本文中就是通过系统本身的智能化操作而非人工干预的手段去执行其在运行过程中所遇到的诸如检测和控制等行为。对于本系统来说，其主要功能就是系统监测、综合处理，并依靠事先确定的阈值和准则实施相应的控制。其中包括对各关键模块的工作状态进行监控，对风机与电源的运行状态进行管理，并对系统智能管理过程中所得到的一些信息通过以太网上报给上位机等。

　　1 硬件系统构成

　　1.1 FPGA内部硬核系统构成

　　FPGA片内结构如图1所示，FPGA片内所有模块包括PPC405处理器、MAC核、I2C核、GPIO核及URAT核，都连接到片上高性能PLB总线上，PPC405通过PLB总线来访问每个IP核，各IP核的大致作用如下：

　　

　　（1）MAC核实现网络链路层硬件，与FPGA片外的PHY芯片实现网络所需的硬件；

　　（2）I2C核实现I2C逻辑，支持智能管理模块与各个工作模块之间的I2C总线协议，实现I2C总线的检测与控制功能，如接收各工作模块的温度等；

　　（3）GPIO核实现PPC405对FPGA通用I/O管脚的基本操作，可以通过软件编程来指定各端口的行为；

　　（4）UART核实现PPC405的串口操作，将串口信息传送至主机进行系统调试。

　　片上系统硬件结构大致描述为：用FPGA实现I2C总线协议，并与处理模块对接；用FPGA实现1-wire单线总线协议，并与温度传感器对接；智能管理模块要求实现的网络上报功能必须用软件来实现TCP/IP协议栈；用MAC核实现链路层功能。为减少器件数量，提高可靠性，本设计采用FPGA内嵌的PPC405处理器，为此需要使用Xilinx公司的系统开发工具EDK进行软硬件协同设计。

　　1.2 智能管理模块的构成

　　智能管理模块构成如图2所示。

　　

　　FPGA和125电路共同实现两路1-wire总线的协议控制和电平规范，其中一路通过温度传感器来检测两个风机组内的温度。同时，另一路125芯片实现I2C总线的协议控制和电平规范，并通过I2C总线来读取机箱中各个处理模块的内部温度。FPGA通过网口与上位机进行数据通信，并通过串口对智能管理模块进行调试。FPGA通过和隔离与驱动电路连接后来控制电源，即相当于是程控开/关电源，以保护机箱中的各处理模块免于因过热而损坏。该模块仅采用12 V电源供电，模块中的其他类型的电源均通过DC-DC转换模块内部产生。

　　1.3 智能管理系统的构成

　　智能管理系统的构成如图3所示。智能管理模块作为智能管理系统的核心，执行着整个系统运行的几乎所有指令。

　　

　　（1） 智能电源。多电源平衡供电的智能电源模块，具有短路、过载、过压及过热保护功能，空载可开机，并且多个电源可以并联输出。

　　（2）温度传感器。采用军品温度传感器，置入风机组中用于测试风机通道的空气温度。该温度传感器只有3个管脚，从右到左分别是VDD（+5 V电源）、DQ（数据信号）、GND（地线）。其中，DQ管脚符合1-wire总线协议，与智能管理模块相对接。该温度传感器的工作温度范围广、精度高、使用简单可靠。

　　（3）风机组。一个机箱配两个风机组，每组由7个大风机组成。每个风机都带有集电极开路输出的被检测脉冲信号，智能管理模块根据该信号是否有脉冲波形来判定每个风机是否工作。

　　（4）计算机。智能管理模块与计算机可以通过网口和串口两种方式进行通信，本系统给出了预留，可以任意选择，主要功能是上报各类系统数据。

　　2 工作原理

　　智能管理模块的设计采用基于FPGA片内PowerPC的SoPC技术，通过PPC405可以很方便地对FPGA的各个I/O端口和内部IP核进行控制。

　　2.1 对风机温度的监测

　　利用PPC405通过PLB总线控制GPIO核，编程控制I/O端口电平，使其满足1-wire总线协议的时序要求，再通过125芯片进行隔离并提供温度传感器1-wire总线协议需要的电平。最后，PPC405由1-wire总线读取温度传感器测量的风机处环境温度。

　　2.2 对风机状态的监测

　　风机运行状态输入信号通过连接器进入智能管理模块，经过隔离驱动后进入FPGA，PPC再通过PLB总线控制GPIO核，读取I/O端口输入电平，再依据程序设定来判断风机运行状态。

　　2.3 工作模块运行状态监测

　　PPC通过PLB总线控制I2C核，在I/O端口产生符合I2C总线协议的时序，再通过125芯片进行隔离并提供I2C总线协议需要的电平，然后PPC再读取I2C总线的数据来确定各工作模块的温度和运行状态信息。

　　2.4 对智能电源模块的控制

　　片内PPC根据上述监测到的风机处环境温度、风机运行状态、各工作模块温度和运行状态，采用一定的控制算法，决定对智能电源模块的控制状态。通过PLB总线管理GPIO核，将智能电源控制状态传递到FPGA相应管脚，再由隔离和驱动电路对智能电源进行管理。

　　2.5 系统运行信息上报

　　本系统信息上报采用以太网协议，协议上层软件通过编程实现；TCP/IP层通过LWIP协议栈实现；链路层由FPGA内部的以太网MAC核实现；物理层用智能管理模块上的以太网PHY芯片实现，并通过模块上的变压器进行隔离。

　　片内PPC把风机处环境温度、风机运行状态、各工作模块温度和运行状态以及智能电源的工作状态通过PLB总线发送给片内的MAC核，再经过片外的PHY芯片最终上报给上位机。

　　3 性能测试

　　温度传感器模块性能测试主要是为了验证该模块能否按照预先设置的门限作出正确的操作。若超过设定值上限或低于设定值下限，则报警；若温度过高即将损坏系统时，则关机（注：在该测试中，无需启动风机控制系统）。

　　（1）执行Set Sensor Threshold指令，实现各门限值设定；（2）执行Set Sensor Event Enable指令，允许报警事件产生；（3）基板在室温下工作，无报警事件产生；（4）基板加温，超过各门限值上限，有报警事件产生，过高时断电；（5）基板降温，返回室温时正常工作；（6）基板继续降温，超过各门限值下限时，有报警事件产生。

　　经测试获得的各温度门限值与预先设置温度基本一致，但温度传感器门限值设置的合理性还有待进一步实验来确定。

　　设计本智能管理系统基于三个指导思想：独立性、高可靠和低成本。本系统的供电独立于工作模块，即使其他模块处于断电状态，本智能系统仍可照常工作。采用一片FPGA和少量外围设备，最大限度地减少了元器件的数量和品种。同时，在智能管理模块和温度传感器之间采用简单可靠的1-wire总线协议来传递信息，各工作模块之间采用I2C总线协议来传递信息，这些都为日后扩展系统规模及其功能提供了很好的技术方向。