基于FPGA的嵌入式智能管理系統(tǒng)

摘 要： 具體介紹了嵌入式系統(tǒng)智能管理方面的相關(guān)內(nèi)容，建立了一種基于FPGA的嵌入式智能管理系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。此外，分析并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各項(xiàng)基本的智能功能，這對(duì)提高系統(tǒng)整體性能有著很大的幫助。

近些年，針對(duì)智能管理的研究越來(lái)越廣泛，采用的技術(shù)也越來(lái)越多，如基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的智能監(jiān)控平臺(tái)[1]、在Linux內(nèi)核下的智能儀器開(kāi)發(fā)[2]、對(duì)智能管理的某一個(gè)方面進(jìn)行研究[3]等。隨著嵌入式核心芯片的高速發(fā)展，傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法也隨之改變，嵌入式系統(tǒng)逐漸由板級(jí)向芯片級(jí)過(guò)渡，即片上系統(tǒng)(SoC)，進(jìn)而發(fā)展至如今流行的可編程片上系統(tǒng)(SoPC)。本文就是通過(guò)超大規(guī)模FPGA和功能復(fù)雜的IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可編程片上系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用可編程器件內(nèi)的可編程資源以及專(zhuān)用硬核，構(gòu)建處理器、存儲(chǔ)器、邏輯電路和其他專(zhuān)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(xiàng)功能。

所謂智能管理，就是以人類(lèi)智能結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究人與組織的管理活動(dòng)規(guī)律和方法的一門(mén)學(xué)科，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和擴(kuò)展性，體現(xiàn)在本文中就是通過(guò)系統(tǒng)本身的智能化操作而非人工干預(yù)的手段去執(zhí)行其在運(yùn)行過(guò)程中所遇到的諸如檢測(cè)和控制等行為。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其主要功能就是系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、綜合處理，并依靠事先確定的閾值和準(zhǔn)則實(shí)施相應(yīng)的控制。其中包括對(duì)各關(guān)鍵模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)風(fēng)機(jī)與電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，并對(duì)系統(tǒng)智能管理過(guò)程中所得到的一些信息通過(guò)以太網(wǎng)上報(bào)給上位機(jī)等。

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 FPGA內(nèi)部硬核系統(tǒng)構(gòu)成

FPGA片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)PGA片內(nèi)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(guò)PLB總線來(lái)訪問(wèn)每個(gè)IP核，各IP核的大致作用如下：

(1)MAC核實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路層硬件，與FPGA片外的PHY芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所需的硬件；

(2)I2C核實(shí)現(xiàn)I2C邏輯，支持智能管理模塊與各個(gè)工作模塊之間的I2C總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)I2C總線的檢測(cè)與控制功能，如接收各工作模塊的溫度等；

(3)GPIO核實(shí)現(xiàn)PPC405對(duì)FPGA通用I/O管腳的基本操作，可以通過(guò)軟件編程來(lái)指定各端口的行為；

(4)UART核實(shí)現(xiàn)PPC405的串口操作，將串口信息傳送至主機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

片上系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)大致描述為：用FPGA實(shí)現(xiàn)I2C總線協(xié)議，并與處理模塊對(duì)接；用FPGA實(shí)現(xiàn)1-wire單線總線協(xié)議，并與溫度傳感器對(duì)接；智能管理模塊要求實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)上報(bào)功能必須用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧；用MAC核實(shí)現(xiàn)鏈路層功能。為減少器件數(shù)量，提高可靠性，本設(shè)計(jì)采用FPGA內(nèi)嵌的PPC405處理器，為此需要使用Xilinx公司的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具EDK進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

1.2 智能管理模塊的構(gòu)成

智能管理模塊構(gòu)成如圖2所示。

FPGA和125電路共同實(shí)現(xiàn)兩路1-wire總線的協(xié)議控制和電平規(guī)范，其中一路通過(guò)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)兩個(gè)風(fēng)機(jī)組內(nèi)的溫度。同時(shí)，另一路125芯片實(shí)現(xiàn)I2C總線的協(xié)議控制和電平規(guī)范，并通過(guò)I2C總線來(lái)讀取機(jī)箱中各個(gè)處理模塊的內(nèi)部溫度。FPGA通過(guò)網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)串口對(duì)智能管理模塊進(jìn)行調(diào)試。FPGA通過(guò)和隔離與驅(qū)動(dòng)電路連接后來(lái)控制電源，即相當(dāng)于是程控開(kāi)/關(guān)電源，以保護(hù)機(jī)箱中的各處理模塊免于因過(guò)熱而損壞。該模塊僅采用12 V電源供電，模塊中的其他類(lèi)型的電源均通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部產(chǎn)生。

1.3 智能管理系統(tǒng)的構(gòu)成

智能管理系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。智能管理模塊作為智能管理系統(tǒng)的核心，執(zhí)行著整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的幾乎所有指令。