基于FPGA的嵌入式智能管理系統

(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、過壓及過熱保護功能，空載可開機，并且多個電源可以并聯輸出。

(2)溫度傳感器。采用軍品溫度傳感器，置入風機組中用于測試風機通道的空氣溫度。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(數據信號)、GND(地線)。其中，DQ管腳符合1-wire總線協議，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)風機組。一個機箱配兩個風機組，每組由7個大風機組成。每個風機都帶有集電極開路輸出的被檢測脈沖信號，智能管理模塊根據該信號是否有脈沖波形來判定每個風機是否工作。

(4)計算機。智能管理模塊與計算機可以通過網口和串口兩種方式進行通信，本系統給出了預留，可以任意選擇，主要功能是上報各類系統數據。

2 工作原理

智能管理模塊的設計采用基于FPGA片內PowerPC的SoPC技術，通過PPC405可以很方便地對FPGA的各個I/O端口和內部IP核進行控制。

2.1 對風機溫度的監測

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總線協議的時序要求，再通過125芯片進行隔離并提供溫度傳感器1-wire總線協議需要的電平。最后，PPC405由1-wire總線讀取溫度傳感器測量的風機處環境溫度。

2.2 對風機狀態的監測

風機運行狀態輸入信號通過連接器進入智能管理模塊，經過隔離驅動后進入FPGA，PPC再通過PLB總線控制GPIO核，讀取I/O端口輸入電平，再依據程序設定來判斷風機運行狀態。

2.3 工作模塊運行狀態監測

PPC通過PLB總線控制I2C核，在I/O端口產生符合I2C總線協議的時序，再通過125芯片進行隔離并提供I2C總線協議需要的電平，然后PPC再讀取I2C總線的數據來確定各工作模塊的溫度和運行狀態信息。

2.4 對智能電源模塊的控制

片內PPC根據上述監測到的風機處環境溫度、風機運行狀態、各工作模塊溫度和運行狀態，采用一定的控制算法，決定對智能電源模塊的控制狀態。通過PLB總線管理GPIO核，將智能電源控制狀態傳遞到FPGA相應管腳，再由隔離和驅動電路對智能電源進行管理。

2.5 系統運行信息上報

本系統信息上報采用以太網協議，協議上層軟件通過編程實現；TCP/IP層通過LWIP協議棧實現；鏈路層由FPGA內部的以太網MAC核實現；物理層用智能管理模塊上的以太網PHY芯片實現，并通過模塊上的變壓器進行隔離。

片內PPC把風機處環境溫度、風機運行狀態、各工作模塊溫度和運行狀態以及智能電源的工作狀態通過PLB總線發送給片內的MAC核，再經過片外的PHY芯片最終上報給上位機。

3 性能測試

溫度傳感器模塊性能測試主要是為了驗證該模塊能否按照預先設置的門限作出正確的操作。若超過設定值上限或低于設定值下限，則報警；若溫度過高即將損壞系統時，則關機(注：在該測試中，無需啟動風機控制系統)。

(1)執行Set Sensor Threshold指令，實現各門限值設定；(2)執行Set Sensor Event Enable指令，允許報警事件產生；(3)基板在室溫下工作，無報警事件產生；(4)基板加溫，超過各門限值上限，有報警事件產生，過高時斷電；(5)基板降溫，返回室溫時正常工作；(6)基板繼續降溫，超過各門限值下限時，有報警事件產生。

經測試獲得的各溫度門限值與預先設置溫度基本一致，但溫度傳感器門限值設置的合理性還有待進一步實驗來確定。

設計本智能管理系統基于三個指導思想：獨立性、高可靠和低成本。本系統的供電獨立于工作模塊，即使其他模塊處于斷電狀態，本智能系統仍可照常工作。采用一片FPGA和少量外圍設備，最大限度地減少了元器件的數量和品種。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總線協議來傳遞信息，各工作模塊之間采用I2C總線協議來傳遞信息，這些都為日后擴展系統規模及其功能提供了很好的技術方向。

參考文獻
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