基于FPGA的嵌入式智能管理系統(tǒng)

(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(hù)功能，空載可開機(jī)，并且多個電源可以并聯(lián)輸出。

(2)溫度傳感器。采用軍品溫度傳感器，置入風(fēng)機(jī)組中用于測試風(fēng)機(jī)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(shù)據(jù)信號)、GND(地線)。其中，DQ管腳符合1-wire總線協(xié)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(fēng)機(jī)組。一個機(jī)箱配兩個風(fēng)機(jī)組，每組由7個大風(fēng)機(jī)組成。每個風(fēng)機(jī)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(jù)該信號是否有脈沖波形來判定每個風(fēng)機(jī)是否工作。

(4)計(jì)算機(jī)。智能管理模塊與計(jì)算機(jī)可以通過網(wǎng)口和串口兩種方式進(jìn)行通信，本系統(tǒng)給出了預(yù)留，可以任意選擇，主要功能是上報(bào)各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2 工作原理

智能管理模塊的設(shè)計(jì)采用基于FPGA片內(nèi)PowerPC的SoPC技術(shù)，通過PPC405可以很方便地對FPGA的各個I/O端口和內(nèi)部IP核進(jìn)行控制。

2.1 對風(fēng)機(jī)溫度的監(jiān)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(xié)議的時序要求，再通過125芯片進(jìn)行隔離并提供溫度傳感器1-wire總線協(xié)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(fēng)機(jī)處環(huán)境溫度。

2.2 對風(fēng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測

風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)輸入信號通過連接器進(jìn)入智能管理模塊，經(jīng)過隔離驅(qū)動后進(jìn)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(jù)程序設(shè)定來判斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 工作模塊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測

PPC通過PLB總線控制I2C核，在I/O端口產(chǎn)生符合I2C總線協(xié)議的時序，再通過125芯片進(jìn)行隔離并提供I2C總線協(xié)議需要的電平，然后PPC再讀取I2C總線的數(shù)據(jù)來確定各工作模塊的溫度和運(yùn)行狀態(tài)信息。

2.4 對智能電源模塊的控制

片內(nèi)PPC根據(jù)上述監(jiān)測到的風(fēng)機(jī)處環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、各工作模塊溫度和運(yùn)行狀態(tài)，采用一定的控制算法，決定對智能電源模塊的控制狀態(tài)。通過PLB總線管理GPIO核，將智能電源控制狀態(tài)傳遞到FPGA相應(yīng)管腳，再由隔離和驅(qū)動電路對智能電源進(jìn)行管理。

2.5 系統(tǒng)運(yùn)行信息上報(bào)

本系統(tǒng)信息上報(bào)采用以太網(wǎng)協(xié)議，協(xié)議上層軟件通過編程實(shí)現(xiàn)；TCP/IP層通過LWIP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)；鏈路層由FPGA內(nèi)部的以太網(wǎng)MAC核實(shí)現(xiàn)；物理層用智能管理模塊上的以太網(wǎng)PHY芯片實(shí)現(xiàn)，并通過模塊上的變壓器進(jìn)行隔離。

片內(nèi)PPC把風(fēng)機(jī)處環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、各工作模塊溫度和運(yùn)行狀態(tài)以及智能電源的工作狀態(tài)通過PLB總線發(fā)送給片內(nèi)的MAC核，再經(jīng)過片外的PHY芯片最終上報(bào)給上位機(jī)。

3 性能測試

溫度傳感器模塊性能測試主要是為了驗(yàn)證該模塊能否按照預(yù)先設(shè)置的門限作出正確的操作。若超過設(shè)定值上限或低于設(shè)定值下限，則報(bào)警；若溫度過高即將損壞系統(tǒng)時，則關(guān)機(jī)(注：在該測試中，無需啟動風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng))。

(1)執(zhí)行Set Sensor Threshold指令，實(shí)現(xiàn)各門限值設(shè)定；(2)執(zhí)行Set Sensor Event Enable指令，允許報(bào)警事件產(chǎn)生；(3)基板在室溫下工作，無報(bào)警事件產(chǎn)生；(4)基板加溫，超過各門限值上限，有報(bào)警事件產(chǎn)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(xù)降溫，超過各門限值下限時，有報(bào)警事件產(chǎn)生。

經(jīng)測試獲得的各溫度門限值與預(yù)先設(shè)置溫度基本一致，但溫度傳感器門限值設(shè)置的合理性還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來確定。

設(shè)計(jì)本智能管理系統(tǒng)基于三個指導(dǎo)思想：獨(dú)立性、高可靠和低成本。本系統(tǒng)的供電獨(dú)立于工作模塊，即使其他模塊處于斷電狀態(tài)，本智能系統(tǒng)仍可照常工作。采用一片F(xiàn)PGA和少量外圍設(shè)備，最大限度地減少了元器件的數(shù)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(xié)議來傳遞信息，各工作模塊之間采用I2C總線協(xié)議來傳遞信息，這些都為日后擴(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模及其功能提供了很好的技術(shù)方向。

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