CN202799178U - 基于fpga的传感器与网络智能接入装置 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的传感器与网络智能接入装置可应用于物联网感知层设备数据的采集、网络分享，属于物联网与嵌入式应用领域。采用主流的FPGA控制芯片作为主要的控制器，该控制器硬件包括主处理器、数据存储模块、无线收发模块、触摸屏、电源和传感器扩展接口；数据存储模块、无线收发模块、触摸屏、电源模块和传感器扩展接口都分别和主处理器相连；利用IEEE1451标准中提出的电子数据表格、网络适配器及智能变送器概念进行对应IP核的编写，实现了对不同厂商传感器的自动识别接入、不同网络的自适应连接、切换及传统模拟传感器、智能传感器外围电路的动态配置功能。

Description

基于FPGA的传感器与网络智能接入装置

技术领域

基于FPGA的传感器与网络智能接入装置是一种具备多传感器智能感知，多种网络间自动连接的传感器数据源分享的便携式手持设备，该控制器内部集成了FPGA的动态配置技术及IEEE1451传感器智能接入技术，可应用于物联网感知层设备数据的采集、网络分享，属于物联网与嵌入式应用领域。

背景技术

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有接入到网络中的物理对象能够相互连通的网络。从技术架构来看，物联网可分为感知层、网络层和应用层。感知层是由不同种类的传感器及传感器网关构成，是物联网识别物体、采集信息的来源。

现有感知层传感器在接入系统时往往产生很多困难，这主要是因为传感器的接入多数采用了专有的电路设计，对于传统传感器的智能化改造需要一个漫长的过程，人力和财力的开销都不可小计。另外，不同厂家生产的传感器在数据类型的定义、传感器数据读写控制等有很大的不同，要对感知层的各类传感器进行统一的数据格式编写，也会是一个极其艰巨的工作。

针对传统传感器的智能化改造，美国电气和电子工程师协会已经推出IEEE1451.2标准，这个标准较全面地规定了智能传感器软硬件设计框架和相关接口协议。但这个协议也面临着一些问题：传统传感器的外围电路与智能传感器具有较大区别，对传统传感器外电电路的重新设计改造需要对现有电路进行升级，改造工程巨大。

现有传感器就算接入到系统中，如何适应不同区域的不同类型的网络协议又是困扰物联网发展的另一大阻碍。物联网虽然是基于互联网基础上发展起来的网络，但为了更多终端节点的接入，会在互联网之外加入多种类型的网络标准作为扩展，丰富节点的数量及种类。而现在的传感器网关节点，通常只是具备了一种特定的网络协议，当需要连接不同网络类型的网络时，就不得不新增新的网关节点，增加更多的设备投入成本。

实用新型内容

基于FPGA的传感器与网络智能接入装置采用主流的FPGA控制芯片作为主要的控制器，利用IEEE1451标准中提出的电子数据表格、网络适配器及智能变送器概念进行对应IP核的编写，实现了对不同厂商传感器的自动识别接入、不同网络的自适应连接、切换及传统模拟传感器、智能传感器外围电路的动态配置功能。

本实用新型提供的一种基于FPGA的传感器与网络智能接入装置，其硬件特征在于：

基于FPGA的传感器与网络智能接入装置以下简称控制器，该控制器硬件包括主处理器、数据存储模块、无线收发模块、触摸屏、电源和传感器扩展接口。数据存储模块、无线收发模块、触摸屏、电源模块和传感器扩展接口都分别和主处理器相连。

该主处理器采用可动态配置FPGA芯片，负责处理物联网感知层的各类传感器数据信息与自适应网络选取的综合控制。同时，当用户想要接入不同类别的传感器时，该主处理器可以在控制器工作的状态中，随时灵活配置出新接入传感器所需的外围硬件电路，使得新接入传感器能适应该控制器的工作环境，并且不会影响到其他传感器的正常工作。

该无线收发模块主要用于网络连接及通讯，涉及到的无线连接方式主要有Zigbee通讯协议、蓝牙通讯协议、WIFI通讯协议及手机GSM、WCDMA或TD-LTE通讯协议。通过该无线收发模块，控制器可以在上述任意一种无线通讯信号覆盖的环境下实现对物联网感知层传感器数据的连接、分享。

数据存储模块有两类主要的功能，一方面作为多传感器接入时数据临时存储区域，共主处理器及无线收发模块交换数据，确保了多组传感器的数据不被丢失的情况；另一方面，数据存储模块作为传感器数据的长期存储区域，可以实现控制器对数据的保存，拷贝功能，方面日后对所采集数据的重新分析。

触摸屏作为人机交互平台，可实时显示控制器工作状态、物联网感知层节点数量及数据信息、当前环境下可用无线网络情况、及控制器自身电量等情况；用户也可以通过触摸屏对感知层传感器及无线网络进行配置及选取。

传感器扩展接口的设计使得物联网感知层设备可以很方便的接入到控制器系统中。同时，接口也对不同点信号的传感器做好了物理上的区分，使得接口可以很好的适应不同种类感知层设备的接入。

基于以上硬件平台，本实用新型创造性的设计并实现了符合IEEE1451.2协议标准的智能变送器及网络适配器的FPGA实现方法。由于该设计方法采用了设计硬件电路的思维来建立智能变送器及网络适配器，与现有传统意义上用软件实现的智能变送器及网络适配器具有很大的不同，主要表现在：

●智能变送器及网络适配器全部功能用硬件实现（基于VHDL硬件描述语言），系统实时性及可靠性远高于软件实现方法；

●该设计方法参考IEEE1451.2标准协议，完全符合IEEE1451.2协议标准，对比现有设计方法，本实用新型将该协议全部功能在一块FPGA芯片中得以实现，最大程度上减少了硬件开销，降低成本，也提高了系统集成度及稳定度；

●该设计方法结合了FPGA的IP核复用等优势，在一个嵌入式系统中提供多种网络协议IP核，并可实现多个网络间并行连接及共享传感器数据的特性，在数据并行传输、数据传送延时及多网络共享数据上远远高于现有网络连接设备。

附图说明

图1：基于FPGA的传感器与网络智能接入装置正面图

图2：基于FPGA的传感器与网络智能接入装置内部结构示意图

图3：Microblaze嵌入式软核总线连接示意图

图4：智能变送器模块在FPGA上实现的功能结构图

图5：网络适配器在FPGA上实现的功能结构图

具体实施方式

结合图1到图5部分，在以下部分对这些图示进行详细描述：

基于FPGA的传感器与网络智能接入装置是一款便携式手持设备，可广泛应用在物联网感知层传感器设备数据的采集、汇总，多种无线网络连接、共享数据的功能。具有采集数据灵活、多样，操作方便的特性。该控制器正面（如附图图1所示）由一触摸屏及传感器扩展接口构成。触摸屏的加入主要考虑到用户在使用该设备的时候，可以尽量简便操作过程，实施看到被采集传感器数据信息的特性。另外，触摸屏的好处考虑到日后产品的升级换代，例如对采集数据进一步分析处理，用触摸屏的方式可以很好的与用户进行交互。传感器扩展接口是由多组可任意插拔的插针式接口组成，主要用于连接物联网感知层设备终端，或用于扩展传感器时用作连线接口使用。该传感器扩展接口主要对传感器不同信号进行区分，主要分为模拟量信号采集接口与数字量信号采集接口，并对不同的电压做了区分，避免了传感器输出的不同对采集卡设备造成的损害。

该控制器内部（如附图图2所示）主要有实现功能的各个硬件模块组成，主要包括了主处理器FPGA芯片，存储模块包括随机存储器RAM和只读存储器ROM或FLASH，可重复使用的可充电电池，无线连接的支持各类协议标准的硬件模块以及用于增强信号的内置天线。由于该控制器的优势在于可连接不同类型的多种无线网络，所以支持无线协议的硬件设备占据了控制器的主要空间。

FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。因此，FPGA芯片可以在同一款芯片内部根据不同的配置，完成多种功能电路的构建，可以满足需求不断变化的应用方案。美国XILINX公司的Virtex-5系列FPGA芯片以丰富的逻辑、DSP、软、硬微处理器和连接功能提供诸多的解决方案，更重要的是，在Virtex-5芯片中，FPGA芯片开始支持动态局部重配置技术，这使得FPGA内部硬件资源实现分时复用，提高了资源的使用率。利用Virtex-5系列FPGA芯片的可重构特点及上述动态局部重配置技术，该控制器可以同时采集多组不同类别的感知层设备数据，并对新加入系统的设备进行硬件驱动的在线配置，保证了系统在使用过程中的稳定性及灵活性。

MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微处理器IP核（此处IP核的概念可以理解为硬件设备在FPGA中的驱动程序），和其它外设IP核一起，可以完成可编程系统芯片的设计。MicroBlaze处理器采用RISC架构和哈佛结构的32位指令和数据总线，可以全速执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序，并访问其中的数据。具有运行速度快、占用资源少、可配置性强等优点。该控制器采用MicroBlaze软核作为该控制器的嵌入式系统，通过数据总线及指令总线将各个功能模块IP核相连接，实现了系统各功能模块之间的通信及协调工作（如附图图3所示）。Microblaze软核处理器通过指令本地存储器总线与数据本次存储器总线和RAM设备相连接，可以交换数据信息及数据的地址存放指令信息；通过数据外设总线与连接到系统中的各级外设交互数据，并通过OPB总线控制器管理外部设备数据信息；通过指令外设总线与FLASH/ROM设备连接，用于存储不宜丢失的长期数据信息。

IEEE1451标准对网络化智能传感器具有很大的意义，主要是该标准定义的传感器或执行器的软硬件接口标准，为传感器或执行器提供了标准化的通信接口和软硬件的定义，使得不同的网络协议可以通过IEEE1451定义的接口标准进行通信。对于物联网感知层设备种类多样，接口标准及数据格式定义不一的特点，IEEE1451.2标准中提出的电子数据表格的概念可以很好的解决这一问题。它使得传感器具有了自我描述能力和自我识别能力，可以支持很多种类的传感器与执行器，描述传感器的具体类型、行为、性能属性和相关的参数，例如：传感器生产商的名称、传感器的型别、通信速率等信息等。通过对不同厂商传感器信息的提前汇总，编写成一张传感器信息电子表格，在以后的传感器接入使用中，只要以查表的方式，就可以轻松获取到每个厂商不同种类传感器的详细信息。

变送器电子数据表格是IEEE1451.2协议中最为重要的概念之一，也是智能变送器接口模块STIM(Smart Transducer Interface Module)中最为重要的概念之一（如附图图4所示），一个STIM可以连接大量不同类型的传感器或执行器，此处连接的是物联网感知层的各类设备，包括设备1到设备n。附图图4所示是上述各个功能模块以IP核的方式在FPGA中实现的机构图，因为连接硬件设备到FPGA主处理器，需要配置对应设备的驱动程序，在FPGA中是以IP核的形式体现，所以对应了图中各个设备的IP核。TEDS电子数据表格也以单独IP核的形式加入到STIM模块中，为传感器的智能接入提供对应信息的支持。这对普通传感器的智能化改造提供了解决途径，通过在FPGA中实现的TEDS变送器电子表格功能，可以使得该控制器具备智能识别发现各类感知层传感器设备的能力，结合FPGA的动态外围电路配置，实现了对不同厂商传感器的自动识别、接入功能。STIM图中右边是STIM模块与NCAP模块相连接时的数据接口TII(Transducer Intelligent Interface)，其中TII可用现在主流的数据通信协议替代，例如SPI接口、ICC接口等。

IEEE1451.1协议标准中提出了NCAP（Network Capable ApplicationProcessor）的概念，即网络适配器。NCAP主要执行网络通信、STIM通信、数据交换等功能，是作为标准换能器总线与专用网络总线之间的接口（如附图图5所示）。附图5仍然从NCAP的各个功能模块对应与FPGA上的实现结构做图，说明了各个模块间在FPGA内部的连接关系，以IP核的形式呈现，其中，附图图5最左端的STIM与附图图4中的STIM是同一模块，通过NCAP中的TII接口连接器IP核模块进行功能上的连接，进行数据的通信；而用于连接各个不同网络的硬件设备的网络通信IP核，都与基于Microblaze软核的嵌入式操作系统相连接。通过上述的连接方式，可以很好的利用Microblaze软核的优势，通过添加或删除IP核的方式，就可以很容易的对系统的外设硬件进行升级或改造，而不会影响到系统整体的架构或功能。

当该控制器已经连接物联网感知层的相关设备时，用于网络通信的各个硬件模块开始启动，并对该环境下覆盖的网络进行搜寻。一旦控制器找到可用的各种网络时，控制器会通过触摸屏自动显示可选网络用于数据的分享发送，让用户可以根据不同需求来选取目标网络，在特定网络上进行数据的上传分享或进行不同网络下的数据交换。另外，也可以与其他编写设备，如手机、PDA、平板电脑等通过蓝牙、WIFI等无线协议分享物联网环境中的传感器信息。

综合以上描述，基于FPGA的传感器与网络智能接入装置可以很好的应用于物联网环境下各种场合的数据采集、收发，并可轻易实现不同网络之间的数据共享功能。通过连接不同的移动设备，该控制器可以扩展移动设备的外设种类，例如为手机接入温度、湿度信息内容，也可以通过移动设备采集当前环境下的各类环境数据信息，通过手机内部的应用程序呈现在社交网络之中，极大增强了虚拟现实环境下的人机交互感受。

Claims (1)

1.基于FPGA的传感器与网络智能接入装置，其特征在于：

该装置硬件包括主处理器、数据存储模块、无线收发模块、触摸屏、电源和传感器扩展接口；数据存储模块、无线收发模块、触摸屏、电源模块和传感器扩展接口都分别和主处理器相连；

该主处理器采用可动态配置FPGA芯片，负责处理物联网感知层的各类传感器数据信息与自适应网络选取的综合控制；

数据存储模块一方面作为多传感器接入时数据临时存储区域，供主处理器及无线收发模块交换数据，确保了多组传感器的数据不被丢失的情况；另一方面，数据存储模块作为传感器数据的长期存储区域，实现控制器对数据的保存，拷贝功能；

触摸屏作为人机交互平台，实时显示控制器工作状态、物联网感知层节点数量及数据信息、当前环境下可用无线网络情况、及控制器自身电量；用户通过触摸屏对感知层传感器及无线网络进行配置及选取。

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