基于FPGA的嵌入式智能管理系统

(1) 智能电源。多电源平衡供电的智能电源模块，具有短路、过载、过压及过热保护功能，空载可开机，并且多个电源可以并联输出。

(2)温度传感器。采用军品温度传感器，置入风机组中用于测试风机通道的空气温度。该温度传感器只有3个管脚，从右到左分别是VDD(+5 V电源)、DQ(数据信号)、GND(地线)。其中，DQ管脚符合1-wire总线协议，与智能管理模块相对接。该温度传感器的工作温度范围广、精度高、使用简单可靠。

(3)风机组。一个机箱配两个风机组，每组由7个大风机组成。每个风机都带有集电极开路输出的被检测脉冲信号，智能管理模块根据该信号是否有脉冲波形来判定每个风机是否工作。

(4)计算机。智能管理模块与计算机可以通过网口和串口两种方式进行通信，本系统给出了预留，可以任意选择，主要功能是上报各类系统数据。

2 工作原理

智能管理模块的设计采用基于FPGA片内PowerPC的SoPC技术，通过PPC405可以很方便地对FPGA的各个I/O端口和内部IP核进行控制。

2.1 对风机温度的监测

利用PPC405通过PLB总线控制GPIO核，编程控制I/O端口电平，使其满足1-wire总线协议的时序要求，再通过125芯片进行隔离并提供温度传感器1-wire总线协议需要的电平。最后，PPC405由1-wire总线读取温度传感器测量的风机处环境温度。

2.2 对风机状态的监测

风机运行状态输入信号通过连接器进入智能管理模块，经过隔离驱动后进入FPGA，PPC再通过PLB总线控制GPIO核，读取I/O端口输入电平，再依据程序设定来判断风机运行状态。

2.3 工作模块运行状态监测

PPC通过PLB总线控制I2C核，在I/O端口产生符合I2C总线协议的时序，再通过125芯片进行隔离并提供I2C总线协议需要的电平，然后PPC再读取I2C总线的数据来确定各工作模块的温度和运行状态信息。

2.4 对智能电源模块的控制

片内PPC根据上述监测到的风机处环境温度、风机运行状态、各工作模块温度和运行状态，采用一定的控制算法，决定对智能电源模块的控制状态。通过PLB总线管理GPIO核，将智能电源控制状态传递到FPGA相应管脚，再由隔离和驱动电路对智能电源进行管理。

2.5系统运行信息上报

本系统信息上报采用以太网协议，协议上层软件通过编程实现；TCP/IP层通过LWIP协议栈实现；链路层由FPGA内部的以太网MAC核实现；物理层用智能管理模块上的以太网PHY芯片实现，并通过模块上的变压器进行隔离。

片内PPC把风机处环境温度、风机运行状态、各工作模块温度和运行状态以及智能电源的工作状态通过PLB总线发送给片内的MAC核，再经过片外的PHY芯片最终上报给上位机。

3 性能测试

温度传感器模块性能测试主要是为了验证该模块能否按照预先设置的门限作出正确的操作。若超过设定值上限或低于设定值下限，则报警；若温度过高即将损坏系统时，则关机(注：在该测试中，无需启动风机控制系统)。

(1)执行Set Sensor Threshold指令，实现各门限值设定；(2)执行Set Sensor Event Enable指令，允许报警事件产生；(3)基板在室温下工作，无报警事件产生；(4)基板加温，超过各门限值上限，有报警事件产生，过高时断电；(5)基板降温，返回室温时正常工作；(6)基板继续降温，超过各门限值下限时，有报警事件产生。

经测试获得的各温度门限值与预先设置温度基本一致，但温度传感器门限值设置的合理性还有待进一步实验来确定。

设计本智能管理系统基于三个指导思想：独立性、高可靠和低成本。本系统的供电独立于工作模块，即使其他模块处于断电状态，本智能系统仍可照常工作。采用一片FPGA和少量外围设备，最大限度地减少了元器件的数量和品种。同时，在智能管理模块和温度传感器之间采用简单可靠的1-wire总线协议来传递信息，各工作模块之间采用I2C总线协议来传递信息，这些都为日后扩展系统规模及其功能提供了很好的技术方向。

参考文献
[1] 王星，黄巍，闫虎.基于单片机的智能仪器监控平台设计[J].微计算机信息，2008，24(4-1)：174-176.
[2] 张云帆，马旭东.基于嵌入式Linux智能仪器多输入设备设计与实现[J].工业控制计算机，2009，22(11)：6-8.
[3] 马海晶，沈德安.智能仪器的可靠性设计技术[J].微计算机信息，2009，25(10).