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，分析并實現(xiàn)了系統(tǒng)各項基本的智能功能，這對提高系統(tǒng)整體性能有著很大的幫助。

近些年，針對智能管理的研究越來越廣泛，采用的技術(shù)也越來越多，如基于單片機(jī)開發(fā)的智能監(jiān)控平臺[1]、在Linux內(nèi)核下的智能儀器開發(fā)[2]、對智能管理的某一個方面進(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)計方法也隨之改變，嵌入式系統(tǒng)逐漸由板級向芯片級過渡，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)。本文就是通過超大規(guī)模FPGA和功能復(fù)雜的IP核來實現(xiàn)一個可編程片上系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用可編程器件內(nèi)的可編程資源以及專用硬核，構(gòu)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(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究人與組織的管理活動規(guī)律和方法的一門學(xué)科，具有很強的實踐性和擴(kuò)展性，體現(xiàn)在本文中就是通過系統(tǒng)本身的智能化操作而非人工干預(yù)的手段去執(zhí)行其在運行過程中所遇到的諸如檢測和控制等行為。對于本系統(tǒng)來說，其主要功能就是系統(tǒng)監(jiān)測、綜合處理，并依靠事先確定的閾值和準(zhǔn)則實施相應(yīng)的控制。其中包括對各關(guān)鍵模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對風(fēng)機(jī)與電源的運行狀態(tài)進(jìn)行管理，并對系統(tǒng)智能管理過程中所得到的一些信息通過以太網(wǎng)上報給上位機(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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路層硬件，與FPGA片外的PHY芯片實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所需的硬件；

(2)I2C核實現(xiàn)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(xié)議，實現(xiàn)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(xiàn)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(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實現(xiàn)I2C總線協(xié)議，并與處理模塊對接；用FPGA實現(xiàn)1-wire單線總線協(xié)議，并與溫度傳感器對接；智能管理模塊要求實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)上報功能必須用軟件來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧；用MAC核實現(xiàn)鏈路層功能。為減少器件數(shù)量，提高可靠性，本設(shè)計采用FPGA內(nèi)嵌的PPC405處理器，為此需要使用Xilinx公司的系統(tǒng)開發(fā)工具EDK進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計。

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，其中一路通過溫度傳感器來檢測兩個風(fēng)機(jī)組內(nèi)的溫度。同時，另一路125芯片實現(xiàn)I2C總線的協(xié)議控制和電平規(guī)范，并通過I2C總線來讀取機(jī)箱中各個處理模塊的內(nèi)部溫度。FPGA通過網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過串口對智能管理模塊進(jìn)行調(diào)試。FPGA通過和隔離與驅(qū)動電路連接后來控制電源，即相當(dāng)于是程控開/關(guān)電源，以保護(hù)機(jī)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(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)行著整個系統(tǒng)運行的幾乎所有指令。