CN113050490A - 一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统 - Google Patents

一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统,包括可编程逻辑器件、电源管理模块、硬件系统初始化模块、器件状态管理模块以及上位机通信模块;电源管理模块包括模数转换器模块,用户Flash内存模块以及电源上电使能模块;硬件系统初始化模块包括低速接口模块、器件复位控制模块以及看门狗模块;器件状态管理模块包括器件报错及中断检测模块以及用于保存系统状态的本地寄存器;上位机通信模块包括SPI Slaver模块、UART Slaver模块以及系统主控制器之间的通信IO模块。本发明能完成各种实时性要求高的任务,根据特定的系统要求模拟出各种通信接口和功能模块,辅助CPU完成各式各样的功能,释放了CPU的处理能力,增强了系统的通用性和鲁棒性。

Description

一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统
技术领域
本发明公开了一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统,涉及电子产品系统设计领域技术领域。
背景技术
工业级系统对产品的稳定性要求非常的高,需要对产品各种状态进行实时性很高的监测和控制,比如单板功耗、温度以及芯片运行状态等等。一般系统会使用单片机或者其他类似的简单CPU进行监控,因为单片机设计难度低,功能全面,且成本低,应用非常广泛。但是对于一些实时性要求非常高的任务,单片机无法满足系统要求。
比如系统要求对单板上多路电源、多个温度点以及多个器件状态进行实时监控,单片机的实现方案只能为轮询和中断两种方式,若是采用轮询方式,则单片机无法处理其他任务,资源被占用,且当轮询任务多时,实时性要求就很难被满足。若是采用中断方式,中断中执行的任务多时,会影响主程序运行,且需要仔细设计中断嵌套,防止被更高优先级中断打断。不仅如此,在工业级别系统中,还需要额外的设计来保证单片机芯片的稳定,防止单片机代码的跑飞。
另外,单片机等系统的接口类型、接口数量以及内置功能均固定,根据不同的系统需求,需要选型特定的单片机型号,有时会因为单片机本身的限制,导致系统设计的功能难于实现,做出妥协。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术的缺陷,提供一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统,克服现有技术中指令顺序执行导致实时性差以及接口功能固定导致灵活性差的缺点,利用了逻辑器件并行执行的工作方式以及可编程性的高灵活性,提供了一种高性能和高灵活度的单板监控管理装置和系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统,包括可编程逻辑器件,还包括电源管理模块、硬件系统初始化模块、器件状态管理模块以及上位机通信模块,其中,所述电源管理模块包括模数转换器模块,用户Flash内存模块以及电源上电使能模块,电源管理模块实现电源的上电初始化控制,电源电压、电流监控以及对异常电压进行记录;所述硬件系统初始化模块包括低速接口模块、器件复位控制模块以及看门狗模块;所述器件状态管理模块包括器件报错及中断检测模块以及用于保存系统状态的本地寄存器,所述报错及中断检测模块用于实时检测外围器件的异常报警状态,并将所有异常汇总至本地寄存器中;当某个异常出现时,器件状态管理模块会通过中断上报至主CPU芯片,再由主CPU芯片获取本地寄存器的状态,从而得知异常点;所述上位机通信模块包括SPI Slaver模块、UARTSlaver模块以及系统主控制器之间的通信IO模块,所述SPI Slaver模块用于在正常工作模式下与系统上的主控制芯片通信,所述UART Slaver模块用于在调试模式下与个人电脑中的上位机通信。
作为本申请的进一步优选方案,所述电源上电使能模块通过控制逻辑器件的管脚高低电平的时序,间接控制电源模块的上电时序;可编程逻辑器件内部对每一路监控的电源设置阈值,当采样的数据超过阈值,数据将会被记录到器件内部FLASH中,用于后续故障定位。
作为本申请的进一步优选方案,所述低速接口模块为IIC Master模块和SPIMaster模块,或者是以太网管理接口MDIO,又或者瑟吉欧音频接口IIS。
作为本申请的进一步优选方案,所述SPI Master模块的接口上外挂Flash模块,用于存储系统初始化信息,在系统初始化时提供加载路径;
所述IIC Master模块外挂实时时钟器件用于提供系统所需的绝对时间点
硬件系统初始化模块中还包括温度传感器,则用于检测单板上关键温度点,从而给风扇调速策略提供参考,保证系统温度控制的闭环。
作为本申请的进一步优选方案,所述正常工作模式下打开SPI Slaver模块接口关闭UART Slaver模块接口,所述调试模式下会关闭SPI Slaver模块接口而打开UART Slaver模块接口。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:本发明利用可编程逻辑器件的并行执行特点,该装置和系统不仅能完成各种实时性要求高的任务,而且可以根据特定的系统要求,模拟出各种通信接口和功能模块,辅助CPU完成各式各样的功能,例如上电控制,电源管理,温度轮询,风扇调控等,释放了CPU的处理能力,大大增强了系统的通用性和鲁棒性。
附图说明
图1 可编程逻辑器件的监控系统典型设计功能框图;
图2 可编程逻辑器件的监控设备在系统中的典型应用的功能框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明基于可编程逻辑器件,可以根据系统的需求,设计出相应的功能模块,以适配各式各样的应用场景。一个单板监控管理装置,包含的基本功能模块包括:电源管理模块、硬件系统初始化模块、器件状态管理模块以及上位机通信模块等等。如图1所示,是基于Intel的MAX10器件设计的一个实施例,图2所示为该装置在系统中的应用,下面将根据模块分别详细介绍。
电源管理模块包含了图1中的模数转换器(ADC)模块,用户Flash内存(UFM)模块,以及电源上电使能(Power Up EN)模块,这些功能模块的协同工作可以完成电源的上电初始化控制,电源电压、电流监控以及对异常电压进行记录。电源上电使能模块通过控制逻辑器件的管脚高低电平的时序,间接控制电源模块的上电时序,图1中实施例的工作时钟为50M,因此电源上电时序可以精确到us级别。一般可编程逻辑器件内部会嵌入一到两个ADC模块,这些ADC模块可以映射到器件管脚上。以实施例中选择的MAX10器件为例,该器件内部包含一个ADC,可映射到9个管脚,配合外部模块开关,实施例中将可监控的电源轨道数增加到16路。该ADC的采样转换速率为1MHz,因此16路电源轮询采样,每一路的监控采样时间间隔为16us,完全满足电源监控的要求。逻辑器件内部可以对每一路监控的电源设置阈值,当采样的数据超过阈值,将会被记录到器件内部FLASH中,即使掉电重启也不会丢失,因此可以用于后续故障定位。
对于硬件系统初始化模块包含了图1中的低速接口模块、器件复位控制(DeviceRST Control)模块以及看门狗(Watch Dog)模块。其中的低速接口模块可以是图1中的IIC(Master)和SPI(Master),也可以是以太网管理接口MDIO,或者音频接口IIS,可编程逻辑器件可以模拟任何协议的低速接口,满足系统多样化的要求。在图2的系统中,外挂在SPI接口的Flash,可用于存储软件版本等系统初始化信息,在系统初始化时提供加载路径;而时钟器件(Clock Generator)用于提供系统主芯片需要的特定频点参考时钟,在系统初始化阶段,可编程逻辑器件完成时钟芯片内部寄存器的配置,完成系统时钟的初始化。外挂在IIC接口的实时时钟(RTC)器件,用于提供系统所需的绝对时间点;温度传感器(TemperatureSensors)则用于检测单板上关键温度点,从而给风扇调速策略提供参考,保证系统温度控制的闭环。而看门狗模块则是上层软件系统的一种监控策略,由于逻辑器件运行十分稳定,所以看门狗模块是保障系统运行的最后一道屏障,当检测到系统软件跑飞,可编程逻辑器件可以选择对应的复位策略。
所述的器件状态管理模块包括图1中的器件报错及中断检测模块(Fault/INTDetect)以及用于保存系统状态的本地寄存器(Local Registers),可编程逻辑器件的报错及中断检测模块用于实时检测外围器件的异常报警状态,并将所有异常汇总在一个本地寄存器中,当某个异常出现时,器件会通过中断上报给主CPU芯片,再由主芯片获取本地寄存器的状态,从而得知异常点。这样的设计不仅可以节约主芯片GPIO管脚的数量,还可以释放主CPU的资料,由可编程逻辑器件完成检测任务。
最后的上位机通信模块即图1中的SPI(Slaver)和UART(Slaver)模块,以及系统主控制器之间的通信IO(GPIO/INT)模块。在图2的系统中,SPI接口用于在正常工作模式下与系统上的主控制芯片通信,而UART接口则用于在调试模式下跟个人电脑中的上位机通信,这两个接口都可以访问可编程逻辑器件的内部本地寄存器,也可以间接访问外挂的器件,所以不能同时工作,否则需要双主机的竞争机制。因此在图2的系统中,正常工作模式下打开SPI接口关闭UART接口,而调试模式下会关闭SPI接口而打开UART接口。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质,在本发明的精神和原则之内,对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等,均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统,包括可编程逻辑器件,其特征在于:还包括电源管理模块、硬件系统初始化模块、器件状态管理模块以及上位机通信模块,其中,
所述电源管理模块包括模数转换器模块,用户Flash内存模块以及电源上电使能模块,电源管理模块实现电源的上电初始化控制,电源电压、电流监控以及对异常电压进行记录;
所述硬件系统初始化模块包括低速接口模块、器件复位控制模块以及看门狗模块;
所述器件状态管理模块包括器件报错及中断检测模块以及用于保存系统状态的本地寄存器,所述报错及中断检测模块用于实时检测外围器件的异常报警状态,并将所有异常汇总至本地寄存器中;当某个异常出现时,器件状态管理模块会通过中断上报至主CPU芯片,再由主CPU芯片获取本地寄存器的状态,从而得知异常点;
所述上位机通信模块包括SPI Slaver模块、UART Slaver模块以及系统主控制器之间的通信IO模块,所述SPI Slaver模块用于在正常工作模式下与系统上的主控制芯片通信,所述UART Slaver模块用于在调试模式下与个人电脑中的上位机通信。
2.如权利要求1所述的一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统,其特征在于:所述电源上电使能模块通过控制逻辑器件的管脚高低电平的时序,间接控制电源模块的上电时序;可编程逻辑器件内部对每一路监控的电源设置阈值,当采样的数据超过阈值,数据将会被记录到器件内部FLASH中,用于后续故障定位。
3.如权利要求1所述的一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统,其特征在于:所述低速接口模块为IIC Master模块和SPI Master模块,或者是以太网管理接口MDIO,又或者瑟吉欧音频接口IIS。
4.如权利要求3所述的一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统,其特征在于:所述SPI Master模块的接口上外挂Flash模块,用于存储系统初始化信息,在系统初始化时提供加载路径;
所述IIC Master模块外挂实时时钟器件用于提供系统所需的绝对时间点
硬件系统初始化模块中还包括温度传感器,则用于检测单板上关键温度点,从而给风扇调速策略提供参考,保证系统温度控制的闭环。
5.如权利要求1所述的一种基于可编程逻辑器件的单板监控管理系统,其特征在于:所述正常工作模式下打开SPI Slaver模块接口关闭UART Slaver模块接口,所述调试模式下会关闭SPI Slaver模块接口而打开UART Slaver模块接口。
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