基于FPGA的嵌入式智能管理系統

張 璐，于文震，蔣志焱，翟彥彬

(南京電子技術研究所，江蘇 南京 210013)

近些年，針對智能管理的研究越來越廣泛，采用的技術也越來越多，如基于單片機開發的智能監控平臺[1]、在Linux內核下的智能儀器開發[2]、對智能管理的某一個方面進行研究[3]等。隨著嵌入式核心芯片的高速發展，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渡，即片上系統(SoC)，進而發展至如今流行的可編程片上系統(SoPC)。本文就是通過超大規模FPGA和功能復雜的IP核來實現一個可編程片上系統，此系統利用可編程器件內的可編程資源以及專用硬核，構建處理器、存儲器、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功能。

所謂智能管理，就是以人類智能結構為基礎，系統研究人與組織的管理活動規律和方法的一門學科，具有很強的實踐性和擴展性，體現在本文中就是通過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程中所遇到的諸如檢測和控制等行為。對于本系統來說，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施相應的控制。其中包括對各關鍵模塊的工作狀態進行監控，對風機與電源的運行狀態進行管理，并對系統智能管理過程中所得到的一些信息通過以太網上報給上位機等。

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總線上，PPC405通過PLB總線來訪問每個IP核，各IP核的大致作用如下：

(1)MAC核實現網絡鏈路層硬件，與FPGA片外的PHY芯片實現網絡所需的硬件；

圖1 FPGA片內結構

(2)I2C核實現I2C邏輯，支持智能管理模塊與各個工作模塊之間的I2C總線協議，實現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核實現PPC405對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核實現PPC405的串口操作，將串口信息傳送至主機進行系統調試。

片上系統硬件結構大致描述為：用FPGA實現I2C總線協議，并與處理模塊對接；用FPGA實現1-wire單線總線協議，并與溫度傳感器對接；智能管理模塊要求實現的網絡上報功能必須用軟件來實現TCP/IP協議棧；用MAC核實現鏈路層功能。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公司的系統開發工具EDK進行軟硬件協同設計。

1.2 智能管理模塊的構成

智能管理模塊構成如圖2所示。

圖2 智能管理模塊構成

FPGA和125電路共同實現兩路1-wire總線的協議控制和電平規范，其中一路通過溫度傳感器來檢測兩個風機組內的溫度。同時，另一路125芯片實現I2C總線的協議控制和電平規范，并通過I2C總線來讀取機箱中各個處理模塊的內部溫度。FPGA通過網口與上位機進行數據通信，并通過串口對智能管理模塊進行調試。FPGA通過和隔離與驅動電路連接后來控制電源，即相當于是程控開/關電源，以保護機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轉換模塊內部產生。

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，執行著整個系統運行的幾乎所有指令。

圖3 智能管理系統的構成

(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、過壓及過熱保護功能，空載可開機，并且多個電源可以并聯輸出。

(2)溫度傳感器。采用軍品溫度傳感器，置入風機組中用于測試風機通道的空氣溫度。該溫度傳感器只有3個管腳，從右到左分別是 VDD(+5 V電源)、DQ(數據信號)、GND(地線)。其中，DQ管腳符合 1-wire總線協議，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、使用簡單可靠。

(3)風機組。一個機箱配兩個風機組，每組由7個大風機組成。每個風機都帶有集電極開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判定每個風機是否工作。

(4)計算機。智能管理模塊與計算機可以通過網口和串口兩種方式進行通信，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，通過PPC405可以很方便地對FPGA的各個I/O端口和內部IP核進行控制。

2.1 對風機溫度的監測

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總線協議的時序要求，再通過125芯片進行隔離并提供溫度傳感器1-wire總線協議需要的電平。最后，PPC405由1-wire總線讀取溫度傳感器測量的風機處環境溫度。

2.2 對風機狀態的監測

風機運行狀態輸入信號通過連接器進入智能管理模塊，經過隔離驅動后進入FPGA，PPC再通過PLB總線控制GPIO核，讀取I/O端口輸入電平，再依據程序設定來判斷風機運行狀態。

2.3 工作模塊運行狀態監測

PPC通過PLB總線控制I2C核，在I/O端口產生符合I2C總線協議的時序，再通過125芯片進行隔離并提供I2C總線協議需要的電平，然后PPC再讀取I2C總線的數據來確定各工作模塊的溫度和運行狀態信息。

2.4 對智能電源模塊的控制

片內PPC根據上述監測到的風機處環境溫度、風機運行狀態、各工作模塊溫度和運行狀態，采用一定的控制算法，決定對智能電源模塊的控制狀態。通過PLB總線管理GPIO核，將智能電源控制狀態傳遞到FPGA相應管腳，再由隔離和驅動電路對智能電源進行管理。

2.5 系統運行信息上報

本系統信息上報采用以太網協議，協議上層軟件通過編程實現；TCP/IP層通過LWIP協議棧實現；鏈路層由FPGA內部的以太網MAC核實現；物理層用智能管理模塊上的以太網PHY芯片實現，并通過模塊上的變壓器進行隔離。

片內PPC把風機處環境溫度、風機運行狀態、各工作模塊溫度和運行狀態以及智能電源的工作狀態通過PLB總線發送給片內的MAC核，再經過片外的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限作出正確的操作。若超過設定值上限或低于設定值下限，則報警；若溫度過高即將損壞系統時，則關機(注：在該測試中，無需啟動風機控制系統)。

(1)執行Set Sensor Threshold指令，實現各門限值設定；(2)執行 Set Sensor Event Enable指令，允許報警事件產生；(3)基板在室溫下工作，無報警事件產生；(4)基板加溫，超過各門限值上限，有報警事件產生，過高時斷電；(5)基板降溫，返回室溫時正常工作；(6)基板繼續降溫，超過各門限值下限時，有報警事件產生。

經測試獲得的各溫度門限值與預先設置溫度基本一致，但溫度傳感器門限值設置的合理性還有待進一步實驗來確定。

設計本智能管理系統基于三個指導思想：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，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，在智能管理模塊和溫度傳感器之間采用簡單可靠的1-wire總線協議來傳遞信息，各工作模塊之間采用I2C總線協議來傳遞信息，這些都為日后擴展系統規模及其功能提供了很好的技術方向。

[1]王星，黃巍，閆虎.基于單片機的智能儀器監控平臺設計[J].微計算機信息，2008，24(4-1)：174-176.

[2]張云帆，馬旭東.基于嵌入式Linux智能儀器多輸入設備設計與實現[J].工業控制計算機，2009，22(11)：6-8.

[3]馬海晶，沈德安.智能儀器的可靠性設計技術[J].微計算機信息，2009，25(10).