大規模區域監控與通信系統的SOPC芯片組

　　0 引 言

　　區域監控應用非常廣泛，早期出現的智能大廈的煙火報警和能源供應系統、工業的溫度壓力多點監控系統等，到目前的智能小區、環保監測等。一個區域監控分為幾個分區，如智能大廈的一層為一分區，使用一個主控機和幾個分機構成分布式處理。區域監控的發展趨向于大覆蓋范圍，更細密的傳感點，各點更多信息量，而對信息的傳輸和處理質量則要求更高，基本不能虛、漏報信息。典型如三峽庫區的一系列環境和安全的區域監控系統，充分體現了上述特點。

　　1 設計思想

　　1.1　現階段和發展提出了亟待解決的關鍵性問題

　　現在，同一區域內混布了各種功能的監測傳感器，類型、精度利速率各式各樣，因而必然要求控制設備能動態配置或在線更新，以適應不同類型傳感器利不同總線通信協議：也就是說能方便地配套各種功能傳感器。

　　并且，控制設備還應該方便動態地適應不同的區域，不必繁瑣安裝利調試；所謂強通用性，能用于各種場合。

　　再者，區域規模快速擴大、傳感點密度增加，卻要繼續保證信息更高速率和更高處理質量；必然要求全部設備精簡、易擴展、更低成本、布局簡化；所謂能滿足新一代需求的高效性能，同時更低成本、更精簡設備、模塊化方便易用。

　　另外，新一代區域監控系統中，一些監測點還需要實時性、優先權和特殊處理等更高的功能要求；也就是說必須改變不能對各點作綜合細致分析的現狀，功能上細致到能對每個點個性化處理的新層次。

　　1.2  繼續應用現有系統設計思想將面臨的困境

　　通常，多點信息只要經過濾波除噪、鑒別篩選等簡單的信息處理，上位機就能根據信息的處理給出一監控區域分成多個分區模式的分布式處理。

　　但區域監控現階段和發展過程已經提出非常強大的信息處理需求。再由上位機來完成多點信息的主要處理過程，則一部分會要求上位機極高頻率，即使上位機提升性能勉強應付，也影響上位機的控制職能，不便優化系統和擴展規模，不符合工程模塊化的全球趨勢。更主要在于隨規模進一步擴大，系統設計將進入死角。即使上位機采用最先進的主機系統，也根本不可能應付。如對多個點的并行實時的個性化處理等。

　　簡言之，區域規模飛速擴大和對信息更高的處理要求，已經完全超出現有多點區域監控的多分區模式所能解決的范疇。多點區域監控的發展趨勢已要求誕生一種新的分布式處理模式，和相關的監控系統設計思想理論。

　　1.3   多重上位機分布式處理思想

　　借鑒時分復用(TDM)的通信調制思想，以功能的精細分割復用來搭構出巨大繁瑣的功能體，在新的層次上適應了區域規模的擴大，全系統性能質的提高區域分布龐大的監測點，各點的信息處理要求可以分為兩過程：第一過程實時性強，以繁瑣龐大的運算處理、通信傳輸為主，目標為分析出一點信息的最終結論，不妨稱該過程為“監測信息的前期分析”；第二過程則針對該點信息結論輸出相應動作的驅動信號，因此功能精簡、控制性強，不妨稱該過程為“監測信息的響應動作輸出”。

　　多重上位機分布式處理思想就是將常規監控系統的所有測控功能完全肢解，繪制出樹型結構的功能圖，每一節點細分為一功能模塊；葉節點模塊就分布到需要該功能的監控區域中，構成該區域的一小型獨立上位機系統；多個小型上位機又按功能關系與父節點構成中型功能的新一層上位機系統；依次而上，構成多重分布式的上位機系統；樹型的多重上位機系統借鑒通信中對信息多階TDM(時分復用)調制的思想，將集中于一體的上位機的各種功能看作通信中的各種初始信息，對龐大繁瑣的功能體進行功能的細分復用，于是就像TDM調制實現了將龐大的信息精簡傳輸處理一樣，達到將繁瑣復雜的功能體系以精簡的功能節點和節點關聯結構來實現的目的。因為各節點上位機功能簡明專一，所以性能突出，設備很精簡；該思想的節點(上位機)數增加很多、節點功能簡單，所以用門電路實現各節點上位機硬件，在技術和成本上都最合適；動態配置技術可在硬件上減少上位機數量。

　　該思想與常見分布式思想也有本質區別：尋常的分布式一般按主從機結構，以邏輯、分區功能、簡便等角度衡量出主從機分布圖，沒有完全固定的模式，每一上位機都包含了比較全面復雜的控制功能，可以獨擔一面。但該思想中，所有節點都是最精簡的專一功能點，不存在主從的概念，只有子節點、父節點等關系起來的結構網才體現出復雜的功能體；所以各節點上位機可以有固定的標準功能，構成全部樹型網的各設備能有統一的模式，因此設計人員的工作在于各節點的具體位置和關聯線。也因此說明采用門電路器件實現各節點的硬件優勢。區域監控的發展趨勢主要針對海量信息“前期分析”過程提出了相當高要求。因此，若將大規模區域監控系統劃分為“前期分析”出信息結論和“響應動作輸出”兩部分，則多重上位機分布式處理系統的根節點就是實現“響應動作輸出”功能的上位機，也即最頂層上位機主控制機，其余的節點網構成“前期分析”網，下面稱作“信息分析部件”：

　　1.3.1　系統流程上：信息分析部件對每一監測點配置一條實時流水線，進行個性化預處理，完成各點前期信息分析過程；對所有監測點的前期信息分析進行綜合預處理，將信息結論傳輸到根節點上位機；根節點上位機只負責動作輸出過程；根節點采用常規微處理器；信息分析部件由多個門電路數字芯片來實現，架構出各節點網。如圖1。

　　1.3.2　器件選擇上：信息分析部件選用實時性強的并行門電路芯片來實現，便于靈活構筑出功能節點網；根節點上位機仍采用常規單片機，因此對現有常規監控系統的升級只需要將信息分析部件嵌入到原有上位機與各點傳感器間，充分利用系統的原有設備。

　　1.3.3　配套功能上：信息分析部件能動態配置，以便用于各種區域監控場合；設備精簡、功能穩定低價；更主要在于易拓撲、最優布局。 2 芯片的系統結構流程

　　2.1　大規模區域監控與通信系統(主ˆ從)芯片的前期信息分析部件流程，如圖2。

　　2.2　大規模區域監控與通信系統(主ˆ從)芯片的多階TDM鏈網流程，如圖3。

　　3芯片主要優勢性能的測試和技術簡述

　　3.1  多重上位機分布式處理思想變革現有系統的常規設計思想，滿足區域監控發展的關鍵所需如上所述，現有多點區域監控系統的性能根本不易于區域大規模的發展。

　　適應區域大規模擴展的測試性能：測試證明，對前期分析過程有用專職的信息分析部件(一個芯片組)來處理，性能就完全滿足了區域規模擴大所提出的關鍵需求；且因為對每一監控點配置一條功能流水線，性能還有很大的提升空間。區域規模上具體表現：每芯片的覆蓋半徑200米，每片預設為8監控點；芯片組最大規模1024點，每組容量128片；則每組的最大有效監控區域可達115×107米2以上；每一組芯片負責區域監控的一個分區，則最大覆蓋范圍是常規區域監控系統一個極大分區(約104米2，參考文獻5)的103倍，規模擴大到常規思想采用常規設備根本不可能達到的區域范圍；各點流不漲的片內信道速率為4Mbitˆs；多點信息并行處理，芯片運行可靠穩定。

　　信息分析與綜合部件的技術簡述：芯片對各路監控點采用并行流水結構，分為接口系統、信息分析系統、結構綜合系統和TDM通信系統，按流程一一簡述。首先，接口系統根據在線配置的信息，得知各路傳感器的精度位數、總線協議類型，在片內動態給各路傳感器分配相應信號通道，完成各傳感器信息與芯片間的通信；各路信號先并行進入到信息分析系統，流程為：濾波除高斯噪聲以整形電平，并剔除突發噪聲干擾；鑒定傳感器信道類型為報警中斷型還是數據型，各路中斷信號進入報警中斷型的各條流水線，數據信號到數據型的各條流水線；片內設置8塊特定功能門電路模塊，所對應的不同處理功能由根節點上位機的“配置作用”在線更新；上位機根據各路監控點不同處理要求，動態配置各特定功能模塊到各路的處理流水線上。完成了先期分析的中斷、數據兩型的信號再經由綜合系統，分別區分出信號到達次序，按次序和預置優先權得出TDM序列，送到兩種類型的多階TDM通信網。

　　3.2   區域最優布局

　　3.2.1　最優布局：采用多階TDM通信鏈網、主從兩種類型的芯片來構成芯片組的創新拓撲思想，實現在區域監控一個分區中的最優布局，最簡布線和極易擴展。區域每層ˆ分區多個監測點的最優布局如圖4，是現有監控分區最點布局中一種最精簡的布局，各點構成多重TDM通信鏈網。每片8點，擴展多片只需每芯片的片間信道直接級聯，最大擴展到1024點，128片，非常簡便。

　　3.2.12　主從芯片方式的拓撲技術簡述：主芯片和從芯片的門電路結構略有不同，只有主芯片才能做根節點的子節點，才有與根節點上位機進行雙工通信的TDM收發模塊，主芯處與上位機一套信道雙線鏈接，收發各一鏈；各芯片均帶多片間通信的TDM，每TDM鏈單線雙工，帶寬只有主芯片與上位機信道的一半，構成片間多階TDM網。當傳感器數目在一芯片容量以內，則直接用主芯片；擴展多路(如N+8路×3位)，則對主芯片再串行級聯上位機的[Nˆ8]個從芯片。直接串聯聯線。可擴展到最多128片。主從芯片的多重TDM網，實現了輕易擴展、最優布局布線的特點；成本節省；主從芯片結構有別，完全利用門電路資源。。

　　3.3  動態配置使得新監控系統通用性強

　　3.3.1　動態配置芯片的接口、動態改變功能流水線結構的測試性能：新的監控系統能適用各區域監控場合；而且即便對原有監控系統的升級，由于芯片能混接各型傳感器，所以能保留原已安裝的傳感器，并混裝新的傳感器，因此升級變得更簡單更低投入。

　　芯片的接口系統采用動態配置，并動態組合構成流水線的各功能模塊在流水線的序列位置；芯片設置8路×3位傳感器接口；芯片的接口性能顯示芯片能在線配置接口協議，支持I2C、串行、One2Wire、SPI，或任意幾路位組合為并行通信，混接各型傳感器，每芯片最大可接24路×1位的傳感器。芯片動態接口系統的流程如圖5。

　　3.3.2　對各點動態配置各型協議的通信信道來實現動態配置的技術簡述：芯片信號引腳為雙向IˆO。芯片群運行前，上位機將各路傳感器的協議和連接的引腳號在線配置給芯片，接口組合模塊動態組合對應的多個引腳構成一路傳感器的信號接口，并配置每路接口到一相應通信協議的信道上。每個信道完成一種通信協議的雙工通信，共有UART串行，并行(8bit，11bit，12bit，16bit，20bit，24bit)，I2C，SPI，one-wire類型，并且在線更新升級。

　　3.4　遠程高精度

　　3.4.1　遠程通信的測試性能：配套8個UART型監測傳感器，以簡單的串口通信設備和RS232協議，組成的區域監控實驗顯示，在校園環境監控區域半徑200米，各信道速率吻合設計，芯片穩定工作；更突出的市場優勢在于，采用上述簡單的通信設備，在所觀測的30分鐘內收發數據100%準確率，信息沒有任何差漏。測試證明編碼信道相當高效，芯片可穩定實現數據低成本的高效遠程中速多點通信。

　　3.4.2　多重TDM鏈網和編碼信道實現數據高速高精度通信的技術簡述：多重TDM網收發標準的幀，不同傳感器信號先在各流水線的各型協議信道中轉換為標準幀格式，由各路信道中的雙口RAM實現格式轉換。為了標準通訊幀高效傳輸，TDM網中設計兩條TDM雙工鏈，分別對應一位中斷信號的報警型傳感器和給出多位數據信息的數據型傳感器。每條TDM雙工鏈由一套片內的多個信號通道、緩存棧，TDM序模塊和TDM收發模塊，和一套芯片間的TDM級聯鏈組成。鏈上速率4Mbit/S。多芯片級聯擴展群中，從芯片與主芯片間按多階TDM級聯鏈通信，由主芯片完成芯片群與上位機間的雙工通信。遠距條件下，在TDM收發模塊中在線配置數據的遠距編碼信道。

　　3.5　在ACEX1K100的FPGA上配置門電路網表流片成該ASIC(0.18工藝)，哈佛結構，并行實時、SOPC、低功耗成本、保護產權

　　4  結 論

　　4.1  創新的系統和技術理論滿足了區域監控發展的關鍵需求

　　為著眼解決目前區域監控發展趨勢中的一些關鍵需求，創新的細分復用思想高效針對了區域規模擴大和監測點密度增加所導致的繁瑣龐大控制功能要求；測試證明該設計思想保證了區域監控發展趨勢所需的高技術性能；精簡、模塊化、統一的設備體系。

　　4.2　測試證明芯片性能符合規模擴大的各種要求，市場優勢明顯

　　測試顯示，芯片組應用方法簡明，性能穩定；每路流水線上能通過在線配置得到對該路的個性化要求，具體分析每一路的信息特征，并挖掘出所需的重要信息結論。性價比突出，在市場具有優勢地位。以動態配置來適合廣泛應用場合；SOPC在線更新；系統可以部分高速或低速動態配置流水線功能，節省資源，以“柔性”門電路適應不同的監控區域。

　　4.2  對其他領域研究的參考意義

　　對功能細分復用實質，可以應用到其它領域的研究，并具有同樣的優勢：簡明的功能體系結構，精簡統一的設備模式，以架構節點關系為設計重心。各片間、片內信道高頻通訊，可為多點通信網提供應用和設計參考；將系統芯片化，簡化設備，利于優化電路性能，信價比好，為設備芯片化的研究提供參考；主從式拓撲特征上的設計，也可為多點分布式系統的拓撲布局提供參考。