基于FPGA的嵌入式智能管理系統

摘 要： 具體介紹了嵌入式系統智能管理方面的相關內容，建立了一種基于FPGA的嵌入式智能管理系統的框架結構。此外，分析并實現了系統各項基本的智能功能，這對提高系統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，采用的技術也越來越多，如基于單片機開發的智能監控平臺[1]、在Linux內核下的智能儀器開發[2]、對智能管理的某一個方面進行研究[3]等。隨著嵌入式核心芯片的高速發展，傳統嵌入式系統的設計方法也隨之改變，嵌入式系統逐漸由板級向芯片級過渡，即片上系統(SoC)，進而發展至如今流行的可編程片上系統(SoPC)。本文就是通過超大規模FPGA和功能復雜的IP核來實現一個可編程片上系統，此系統利用可編程器件內的可編程資源以及專用硬核，構建處理器、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，就是以人類智能結構為基礎，系統研究人與組織的管理活動規律和方法的一門學科，具有很強的實踐性和擴展性，體現在本文中就是通過系統本身的智能化操作而非人工干預的手段去執行其在運行過程中所遇到的諸如檢測和控制等行為。對于本系統來說，其主要功能就是系統監測、綜合處理，并依靠事先確定的閾值和準則實施相應的控制。其中包括對各關鍵模塊的工作狀態進行監控，對風機與電源的運行狀態進行管理，并對系統智能管理過程中所得到的一些信息通過以太網上報給上位機等。

1 硬件系統構成

1.1 FPGA內部硬核系統構成

FPGA片內結構如圖1所示，FPGA片內所有模塊包括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核實現網絡鏈路層硬件，與FPGA片外的PHY芯片實現網絡所需的硬件；

(2)I2C核實現I2C邏輯，支持智能管理模塊與各個工作模塊之間的I2C總線協議，實現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PPC405的串口操作，將串口信息傳送至主機進行系統調試。

片上系統硬件結構大致描述為：用FPGA實現I2C總線協議，并與處理模塊對接；用FPGA實現1-wire單線總線協議，并與溫度傳感器對接；智能管理模塊要求實現的網絡上報功能必須用軟件來實現TCP/IP協議棧；用MAC核實現鏈路層功能。為減少器件數量，提高可靠性，本設計采用FPGA內嵌的PPC405處理器，為此需要使用Xilinx公司的系統開發工具EDK進行軟硬件協同設計。

1.2 智能管理模塊的構成

智能管理模塊構成如圖2所示。

FPGA和125電路共同實現兩路1-wire總線的協議控制和電平規范，其中一路通過溫度傳感器來檢測兩個風機組內的溫度。同時，另一路125芯片實現I2C總線的協議控制和電平規范，并通過I2C總線來讀取機箱中各個處理模塊的內部溫度。FPGA通過網口與上位機進行數據通信，并通過串口對智能管理模塊進行調試。FPGA通過和隔離與驅動電路連接后來控制電源，即相當于是程控開/關電源，以保護機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轉換模塊內部產生。

1.3 智能管理系統的構成

智能管理系統的構成如圖3所示。智能管理模塊作為智能管理系統的核心，執行著整個系統運行的幾乎所有指令。