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(guò)載、過(guò)壓及過(guò)熱保護(hù)功能，空載可開機(jī)，并且多個(gè)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(cè)試風(fēng)機(jī)通道的空氣溫度。該溫度傳感器只有3個(gè)管腳，從右到左分別是VDD(+5 V電源)、DQ(數(shù)據(jù)信號(hào))、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(duì)接。該溫度傳感器的工作溫度范圍廣、精度高、使用簡(jiǎn)單可靠。

(3)風(fēng)機(jī)組。一個(gè)機(jī)箱配兩個(gè)風(fēng)機(jī)組，每組由7個(gè)大風(fēng)機(jī)組成。每個(gè)風(fēng)機(jī)都帶有集電極開路輸出的被檢測(cè)脈沖信號(hào)，智能管理模塊根據(jù)該信號(hào)是否有脈沖波形來(lái)判定每個(gè)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(guò)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(guò)PPC405可以很方便地對(duì)FPGA的各個(gè)I/O端口和內(nèi)部IP核進(jìn)行控制。

2.1 對(duì)風(fēng)機(jī)溫度的監(jiān)測(cè)

利用PPC405通過(guò)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(shí)序要求，再通過(guò)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(cè)量的風(fēng)機(jī)處環(huán)境溫度。

2.2 對(duì)風(fēng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)

風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)輸入信號(hào)通過(guò)連接器進(jìn)入智能管理模塊，經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)后進(jìn)入FPGA，PPC再通過(guò)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(lái)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(cè)

PPC通過(guò)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(shí)序，再通過(guò)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(lái)確定各工作模塊的溫度和運(yùn)行狀態(tài)信息。

2.4 對(duì)智能電源模塊的控制

片內(nèi)PPC根據(jù)上述監(jiān)測(cè)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(duì)智能電源模塊的控制狀態(tài)。通過(guò)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(dòng)電路對(duì)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(guò)編程實(shí)現(xiàn)；TCP/IP層通過(guò)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(guò)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(guò)PLB總線發(fā)送給片內(nèi)的MAC核，再經(jīng)過(guò)片外的PHY芯片最終上報(bào)給上位機(jī)。

3 性能測(cè)試

溫度傳感器模塊性能測(cè)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(guò)設(shè)定值上限或低于設(shè)定值下限，則報(bào)警；若溫度過(guò)高即將損壞系統(tǒng)時(shí)，則關(guān)機(jī)(注：在該測(cè)試中，無(wú)需啟動(dòng)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(wú)報(bào)警事件產(chǎn)生；(4)基板加溫，超過(guò)各門限值上限，有報(bào)警事件產(chǎn)生，過(guò)高時(shí)斷電；(5)基板降溫，返回室溫時(shí)正常工作；(6)基板繼續(xù)降溫，超過(guò)各門限值下限時(shí)，有報(bào)警事件產(chǎn)生。

經(jīng)測(cè)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(lái)確定。

設(shè)計(jì)本智能管理系統(tǒng)基于三個(gè)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(shí)，在智能管理模塊和溫度傳感器之間采用簡(jiǎn)單可靠的1-wire總線協(xié)議來(lái)傳遞信息，各工作模塊之間采用I2C總線協(xié)議來(lái)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。

參考文獻(xiàn)
[1] 王星，黃巍，閆虎.基于單片機(jī)的智能儀器監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(4-1)：174-176.
[2] 張?jiān)品?，馬旭東.基于嵌入式Linux智能儀器多輸入設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22(11)：6-8.
[3] 馬海晶，沈德安.智能儀器的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(10).