軟件輔助FPGA實現安全監控系統的方法研究

吳 婷,黃 超,朱懷宇

(國核自儀系統工程有限公司,上海 200241)

0 引言

近年來，信息安全越來越受關注。軟件容易受到黑客和病毒的入侵，有軟件參與的系統，必然會帶來不確定性。在安全領域，如核電站安全級儀控系統希望使用更安全的、沒有軟件參與的系統。現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片內部是各種硬件電路的集合體，雖然可編程，但本質是各種硬件電路的聯合運行。FPGA搭建的系統在可靠性、可驗證性、安全性上優于基于CPU搭建的系統。由于FPGA具備高可靠性、易移植、可實現復雜功能的特性，其在核電站儀控系統中的應用已成為必然趨勢[1]。

目前，第三代核電站安全監控系統是基于CPU的嵌入式操作系統所搭建的，可實現畫面顯示、數據處理、監控系統診斷各項功能。本文所探索的、基于FPGA芯片搭建的安全監控系統，能替代基于CPU芯片的安全監控系統。FPGA芯片可實現CPU芯片系統的功能：驅動液晶屏顯示和處理人機交互；負責安全監控系統與儀控系統間的數據交互等。

通過FPGA芯片進行的電路設計，是采用硬件描述語言來編程的。程序表達的是電路的真值表達式，通過查找真值表來實現其邏輯功能[2]。而硬件描述語言無法將電路與安全監控畫面的布局和畫面監控數據準確地表達出來。因此，需要一套組態軟件，來輔助FPGA芯片通過電路來實現畫面的監控顯示功能。

1 基于FPGA芯片的安全監控系統

1.1 安全監控系統設計

基于FPGA芯片的安全監控系統是根據核電站安全級儀控系統需求所搭建的，需要滿足儀控系統的接口通信和實時數據存儲的需求。系統設計的主要組成部分如下。

①FPGA芯片：安全顯示系統的核心，負責所有畫面數據的解析、實時數據的運輸和界面響應。

②串口：外部接口，安全性高，負責接收和發送核電站安全級控制系統的實時數據。

③網口：外部接口，通信速度快，負責下裝組態生成的各類數據。

④DVI和VGA：顯示器接口，負責投屏顯示監控系統的畫面。

⑤DDR3：快速內存，負責緩存實時性顯示的畫面數據，包括需實時顯示的變量數值。

⑥硬盤：固態硬盤，負責存放安全監控系統中的各類配置數據。

安全監控系統的硬件系統是組態軟件設計時的限制條件。

1.2 組態軟件設計

一般工控領域的組態軟件通過直觀的交互式界面，提供圖形組態。其可分為兩個步驟：第一步是利用組態軟件提供的繪圖工具編輯工業控制系統的工藝畫面，形成靜態背景圖；第二步是綁定工藝畫面中圖形元素對象和數據變量，實現動畫連接，生成隨實時數據變化而變化的動態畫面[3]。

而輔助FPGA芯片設計的組態軟件是獨立于基于FPGA芯片的安全監控系統運行的。其屬于安全監控系統，為FPGA提供安全監控系統運行所需的數據，也就是FPGA芯片進行靜態背景圖和動態畫面組幀所需要的數據。組態軟件在安全監控系統未運行(即離線)時，通過網口設備將工程師組態生成的數據傳輸給FPGA裝置；同時，芯片將所接收到的數據有序地存放到硬盤設備中。

組態軟件需要解決三個方面的問題，分別是畫面顯示層組態、系統數據層組態和組態信息下裝。由于組態軟件所處的系統環境限制，軟件不同于組態王之類的通用組態軟件。為了能輔助FPGA實現安全監控系統的功能，軟件必須緊密結合FPGA芯片功能特性和需求而進行定制化設計和實現。

2 畫面顯示層的組態

2.1 畫面顯示的組成

安全監控系統由至少幾十幅畫面組成，各畫面之間存在跳轉關系和導航關系?？梢詫⒚糠撁娣纸?，實現不同功能的、可在窗體上放置的可視化圖形“元件”稱之為一種部件。監控系統的界面大多由以下的基本部件組成：數值顯示、圖形狀態顯示、報警燈顯示、趨勢圖形顯示、列表顯示、輸入框、按鈕以及各種工藝部件等。而安全監控系統有一些特殊的部件：聯動的激活框、診斷的心跳轉動線、動態的狀態流向樹等。

2.2 FPGA芯片實現畫面顯示的原理

安全監控系統中只有FPGA芯片，因此所有在視頻圖形陣列(video graphics array,VGA)顯示器上顯示的畫面都需要通過FPGA芯片來解決。VGA圖像顯示器是通過CRT逐行掃描或隔行掃描的方式實現顯示的，即輸入信號自顯示器屏幕上方開始，從左到右、從上到下逐行掃描[4]。圖像的基本組成單元是像素，所以圖像疊加顯示的實質是在像素級為每個像素點選擇信號，完成像素點的定位(確定行、列位置)和圖像信號的輸出[5]。因此，只要提供安全監控畫面中圖像的像素點的RGB值點陣式文件，FPGA芯片通過譯碼提供出圖像信號，可將各種顏色的點、線、面，乃至整個畫面顯示在液晶屏幕上。除了安全監控畫面中的顯示需求外，在不帶操作系統的FPGA芯片的安全監控系統中，鼠標位置移動和點擊效果、光標激活閃爍都需要FPGA芯片通過像素點組幀實現顯示。

2.3 畫面顯示層組態方法

根據FPGA芯片的實現需求，首先將所有顯示在安全監控系統畫面中的每個部件分解成單個圖元，包括鼠標的狀態、光標。對圖元進行分析，需要解決的問題可分為兩類：顯示和響應。

在顯示問題上，將所有畫面層圖元進行抽象和分離，繪制圖元的矢量圖。通過組態軟件提供界面，工程師可直接選擇這些圖元；同時，組態軟件提供對圖元的縮小和放大功能，且每個圖元類型均能分別設置基本屬性和動態屬性。在組態軟件中進行畫面組態時，軟件記錄下界面中的指定坐標位置、區域大小和該區域需顯示的所有圖元集。FPGA根據記錄下的信息，找到相應的圖元的像素點文件進行重新組幀，并在對應位置顯現出各個圖元。其中，圖元的像素點文件是整個圖元RGB值的集合文件，RGB對應紅、綠、藍3個分量的一個M×N×3的3維矩陣，用一個8位二進制數表示alpha、Red、Green和Blue值[5]。

在響應問題上，根據FPGA芯片狀態機的原理進行分類，也就是根據部件的響應處理方式來分類。部件類型可分為靜態顯示類、動態顯示類、聯動顯示類、顯示數字類、使能按鈕類、虛擬鍵盤按鈕類等。根據不同的類別，組態軟件提供不同的信息輸入框。FPGA對每個部件類型的處理都采用不同的算法庫。算法庫執行器根據組態信息進行調度，完成運算數據的存取、指定算法塊的計算[6]；通過解析和重新組幀，就能實現部件的動態功能。

畫面組態最終將每副畫面作為一個組態單元，形成整頁的RGB像素矩陣文件，并對畫面中的靜態部件和動態部件作分別處理。靜態部件，如字、線、框，作為一個圖元，只有顯示功能。對于動態部件組態，實現則比較復雜，需要標記部件所對應的變量地址、關聯部件或跳轉頁面等。這些數據在系統數據層組態中處理。

3 系統數據層的組態

3.1 顯示系統的數據組成

安全監控系統能夠通過畫面對核電站安全級控制系統運行狀態的關鍵點進行實時監控，同時安全級控制系統也將實時響應監控系統界面操作所產生的觸發信號。因此，數據層主要負責安全監控系統與安全級儀控系統之間實時數據的通信。

3.2 FPGA芯片實現數據通信的方式

FPGA芯片需要負責實時變量值的獲取和存儲，以及鼠標點擊畫面后的動作解析和發送。DDR3是高速數據采集的首選方案[7]。因此在安全監控系統的DDR3中，存放由串口周期性接收的變量實時值數據幀。界面的觸發動作根據發送數據的幀格式要求，由FPGA組幀后直接發送。

3.3 系統數據層組態設計

實時數據庫生成系統是組態軟件的基本組成部分，數據庫生成的關鍵是數據庫的結構[8]。組態軟件設計了實時數據庫，分別為輸入數據表和輸出數據表。組態軟件提供人機交互的界面。以輸入數據為例，輸入數據通過串口上唯一確定的接收端口周期性獲得。通過SQL語句建立其數據結構：

create table if not exists RvPoints (

id int primary key,

//序號

PIDName varchar(32),

//變量名稱

Type varchar(10),

//變量類型

Size int,

//變量大小

Offset int,

//變量地址

FrameHeader varchar(10),

//所在數據幀的幀頭

FromPort int,

//周期接收的端口號

des varchar(20),

//變量描述

Sort int);

//數據幀的排序號

工程師根據實際串口連線和實際數據幀的接收順序，對數據表中各變量進行組態編輯。輸出數據也是通過串口發送的，同樣有指定的串口和端口，以及發送后接收地址的信息。

組態軟件通過輸入數據表，為實時數據區計算數據內存大小，以及每個變量點對應的偏移地址信息。根據輸出數據表，為每個輸出數據提供組態信息。輸入數據表和輸出數據表是動態部件對應變量的組態信息來源。

4 組態信息下裝

4.1 下裝信息的分類

組態工具在工程師站上運行，需要在組態完成后將有效信息下裝到FPGA安全監控系統中，以支持FPGA實現功能。以監控畫面整體為實現目標，所需的信息如下。

①部件圖元數據：畫面中所有顯示部件的RGB點陣像素值數據文件。

②頁面數據：每幅頁面動靜態部件位置、大小，以及動態部件變量的組態信息。

③配置數據：各類支持FPGA組幀的內存地址索引表。

4.1.1 部件圖元數據

一個部件的圖元數據為一個RGB像素值數據文件。靜態部件因為只有一個狀態，因此只有一個圖元。而動態部件有多個運行狀態，因此每個部件都有多個圖元，其數據為一系列的RGB像素值數據文件。

而相同類型的部件在各幅頁面上的大小不盡相同。FPGA一般不作復雜的運算，需要組態軟件將同一類部件的、不同大小的RGB像素值數據文件分別進行處理。

4.1.2 頁面數據

頁面由多個部件組成。頁面數據里存放的是本頁面中所應顯示的部件類別、坐標位置、大小。動態部件在多狀態下顯示的圖元內存地址，以及對應的變量顯示規則和實時變量在DDR3內存中的地址。以模擬量顯示框為例，它屬于顯示數字類部件，部件類別的編號為xxx。組態軟件在界面提供人機交互區。模擬量顯示的頁面數據示例如表1所示。工程師可拖拽部件和調整選項等。

表1 模擬量顯示的頁面數據示例Tab.1 Sample of page data displayed in analog quantity

模擬量顯示部件的對應變量可在頁面中組態填入，而在生成頁面數據時，將被組態軟件處理成FPGA需要的變量內存地址信息。發送字節數為實際下裝數據的長度。

圖像數據在存儲器中的常規存儲方式是以從左至右、從上至下的順序按行緩存，與圖形掃描順次一致，即圖像的每一行像素數據均按行存儲[9]。組態軟件也是從每幅頁面上按照行的方式，對各個部件根據圖層順序從上至下逐層掃描，生成圖像的RGB像素矩陣數據文件。另外，圖層層級越高的部件掃描刷新順序越往后排，這樣顯示頁面只顯示最后一層刷新到的彩色點。

4.1.3 配置數據

FPGA大多具有內嵌的數據存儲器，用于存儲配置數據[10]。而組態軟件提供的配置數據是用于FPGA芯片查表的各類地址索引表。為了減少FPGA芯片的負擔，不是所有的地址索引表都需要下裝到FPGA芯片裝置上，而是只提供下裝必須在安全顯示系統運行時查表的地址索引表即可。運行時不會發生實時變化的索引表，則盡可能直接寫到頁面數據中，不下裝到監控系統。

不需要下裝的索引表是需要支持頁面數據生成的。如表1所示，頁面數據需要部件圖元的圖像地址以及變量地址。而這些地址是指存儲在FPGA芯片裝置硬盤或DDR3里的地址，是組態軟件根據整個項目所包含的頁面和變量進行整合排序后計算出的內存地址。

需要下裝的索引表是發送數據點的索引表。FPGA根據監控系統的實時操作，對動作相關的變量進行實時查表，并組幀發送。

另外，系統實時顯示數據，如鼠標狀態、阿拉伯數字等系統級數據，也都是組態軟件管理的圖元。因為這些數據也是運行時實時變化的，需要根據索引表查詢，所以也需要下裝到FPGA芯片裝置中。

4.2 組態和下裝

4.2.1 組態下裝的準備

部件圖元數據、頁面數據和配置數據之間是有相互關聯性的。組態軟件在生成組態數據時，需要考慮它們之間的相互依賴性，使最底層的最先生成。數據生成順序如圖1所示。

圖1 數據生成順序Fig.1 Sequence of data generation

4.2.2 下裝的方式

如1.1節所述，FPGA芯片裝置系統中的硬盤和DDR3用于存儲數據。

①硬盤中存放大數據塊的數據，如部件圖元數據、頁面數據，配置數據等。

②DDR3中存放安全顯示系統實時需要的數據，如實時數據區和當前頁面所需的數據。

因此，組態軟件只需要負責對硬盤進行數據下裝。組態軟件生成的組態信息，按照用戶數據協議(user datagram protocol,UDP)，通過網口下裝到FPGA芯片裝置硬盤上。DDR3中的數據由FPGA芯片負責讀取和存儲。

4.2.3 安全下裝

組態軟件向FPGA芯片裝置下裝數據時，為了保證下裝數據的完整性，設計發送數據開始標志和數據發送結束標志的數據包，以保障數據幀的完整性。

5 結論

雖然組態軟件是安全監控系統的輔助工具，但它作為關鍵性工具，必不可少?；贔PGA芯片的安全監控系統有了組態軟件的輔助，使得此方案實現更加靈活、便捷，能夠實現復雜度較高的監控畫面。而以FPGA芯片替代CPU芯片，使用全硬件的方式實現安全領域的監控系統是發展趨勢，不依賴任何嵌入式操作系統，具有更長的生命周期。組態軟件的離線性能也保障了此方案的安全性。目前，本文研究的方法在國際上具有領先水平，能促進軟件在更大范圍的應用。