CN207676156U - 一种基于fpga的双冗余集中控制设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，该设备包括主控单元，与主控单元分别连接的网口通讯模块、串口控制模块、红外通信模块、红外学习模块、设备烟雾温度检测模块、烟感温感报警模块、北斗授时定位模块，所述主控单元包括嵌入了2个Microblaze软核的FPGA，嵌入的两个Microblaze软核分别作为CPU1和CPU2。该实用新型的优点在于：双冗余软核提高了可靠性安全性，适用于对设备性能要求较高的场合，例如轨道交通车站设备集群管理，智能交通卡口信号机数据采集监测等。各模块的设置解决了人防、消防实际应用中用户设备接口类型多样，数量多不便集中管理的难题，实现设备网络化管理。

Description

一种基于FPGA的双冗余集中控制设备

技术领域

本实用新型涉及集中控制、集群控制领域，尤其是一种基于FPGA的双冗余集中控制设备。

背景技术

在目前的集中控制的设备中，虽然市面上有串口服务器设备，但是绝大多数接口设备串口数量少，没有红外通信功能，价格较高，波特率范围窄，难以满足一些特殊复杂场合的应用，特别是在人防应急机动车、消防救援机动车中控制系统的应用，这类机动车的设备类型多，控制场合特殊，并且要求信息安全可靠。所以一种基于FPGA的双冗余集中控制设备在这类系统设计中占据越来越重要的地位。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，为此，本实用新型提供一种基于FPGA的双冗余集中控制设备。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，包括主控单元、电源模块，与主控单元分别连接的网口通讯模块、串口控制模块、红外通信模块、红外学习模块、烟雾温度检测模块、烟感温感报警模块、北斗授时定位模块，所述主控单元包括嵌入了2个Microblaze软核的FPGA，嵌入的两个Microblaze软核分别作为CPU1和CPU2。

优化的，所述网口通讯模块包括88E1111芯片，所述88E1111芯片与主控单元的网络通信端口连接；所述串口控制模块和北斗授时定位模块均与主控单元的串口通信端口连接；所述红外通信模块和红外学习模块分别与主控单元的总线空闲端口连接；所述烟感温感报警模块与主控单元的IO通信端口连接；所述烟雾温度检测模块与主控单元的SPI通信端口连接。

优化的，所述电源模块包括多个不同电压输出引脚，多个不同电压输出引脚分别与需要相应电压的主控单元、网口通讯模块、串口控制模块、红外通信模块、红外学习模块、烟雾温度检测模块、烟感温感报警模块、北斗授时定位模块连接。

优化的，所述FPGA为Xilinx公司的Virtex5系列。

优化的，所述串口控制模块包括串口电平转换芯片MAX3232和MAX3285，芯片MAX3232和MAX3285分别与主控单元连接。

优化的，所述北斗授时定位模块使用芯片为内部集成了BD2B1/GPS L1双模SOC基带芯片和一款可配置的BD2B1/GPS L1双模射频芯片的UM220-III。

优化的，烟雾温度检测模块中的温度检测部件使用芯片为DS18B20。

本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型中双冗余软核提高了可靠性安全性，适用于对设备性能要求较高的场合，例如轨道交通车站设备集群管理，智能交通卡口信号机数据采集监测等。各模块的设置解决了人防、消防实际应用中用户设备接口类型多样，数量多不便集中管理的难题，实现设备网络化管理。

(2)本实用新型集成了北斗授时定位模块，可以提供精确的时间位置信息，适用于车载定位、智能交通等领域应用。

附图说明

图1为一种基于FPGA的双冗余集中控制设备数据通信示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，包括主控单元、电源模块，与主控单元分别连接的网口通讯模块、串口控制模块、红外通信模块、红外学习模块、烟雾温度检测模块、烟感温感报警模块、北斗授时定位模块，主控模块对各外设模块通信数据的处理分析，实现对用户设备的集中化网络化监管控制。所述主控单元包括嵌入了2个Microblaze软核的FPGA。嵌入的两个Microblaze软核分别作为CPU1和CPU2，搭建双核CPU系统。在工作时，当一个Microblaze软核出现异常后，立即启动另外一个Microblaze软核，实现系统的双冗余。其中FPGA工作频率达到200MHz。所述FPGA为Xilinx公司的Virtex5系列。由于Microblaze软核是基于AXI总线的，所以外围通信必须满足AXI通信标准。以下的串口通信(AXI UART)、SPI通信(AXI SPI)、IO通信(AXI IO)、网络通信(AXI Ethernet)都是通过FPGA内部的的IP核完成与Microblaze软核的数据交换与控制。

所述电源模块包括多个不同电压输出引脚，多个不同电压输出引脚分别与需要相应电压的主控单元、网口通讯模块、串口控制模块、红外通信模块、红外学习模块、烟雾温度检测模块、烟感温感报警模块、北斗授时定位模块连接。图中为了图片美观，未表示各连接关系。

所述网口通讯模块包括88E1111芯片，所述88E1111芯片与主控单元的网络通信端口连接，88E1111芯片作为PHY芯片，实现10M/100M/1000M自适应网络通信。具体地说，FPGA与88E1111芯片以AXI DMA的方式相连，当FPGA要向以太网发送数据帧时，先将数据帧打包成UDP或TCP数据包，并通过DMA将数据发送至缓存中，88E1111芯片将缓存的数据及数据帧信息进行MAC组帧，并发送出去。当88E1111芯片接收到以太网数据时，首先进行检查数据帧的合法性，通过检测得数据帧被存到FPGA内部的RAM中，FPGA芯片对RAM中的数据读出并处理。

所述串口控制模块和北斗授时定位模块均与主控单元的串口通信端口连接。所述串口控制模块包括串口电平转换芯片MAX3232和MAX3285，芯片MAX3232和MAX3285分别与主控单元连接，电平转换芯片将TTL电平转换成232电平和485通信端口输出，波特率设置300～115200bps，此设备包括8路串口、其中每路串口既可以接入232电平通信设备也可以接入485电平通信设备，串口设备通过AXI UART核实现与CPU1和CP2的交互。北斗授时定位模块使用芯片为内部集成了BD2B1/GPS L1双模SOC基带芯片和一款可配置的BD2B1/GPS L1双模射频芯片的UM220-III。支持BD2B1/GPS L1频点的双模授时定位，定位精度5m，FPGA将接收到的时间信息、位置信息进行解析打包后通过网络通信端口传输至用户，数据刷新频率可配置最快0.5s更新一次。

所述红外通信模块和红外学习模块分别与主控单元的总线空闲端口(AXI Free)连接，对红外学习模块接收的红外信号进行解调和编码以及存储，用户通过网络发送指定红外设备的控制命令，处于工作中的CPU1或CPU2接收用户指令，解析指令后，发送对应红外码，通过红外通信模块的各路红外发射头发射红外信号实现对红外设备的控制。

所述烟感温感报警模块与主控单元的IO通信端口连接，所述烟雾温度检测模块与主控单元的SPI通信端口连接，即通过AXI SPI核与处于工作中的CPU1或CPU2进行通信。烟雾温度检测模块中的温度检测部件使用芯片为DS18B20。当温度接近设备正常运行的工作温度时，设备会将报警信息通过网络发送至用户，以利于用户提前做好准备，当监测点出现烟雾或温度过高时，传感器将出现报警信息，处于工作中的CPU1或CPU2接收到报警信息通过网络传输至用户。

以上仅为本实用新型创造的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型创造，凡在本实用新型创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，其特征在于，包括主控单元，与主控单元分别连接的网口通讯模块、串口控制模块、红外通信模块、红外学习模块、烟雾温度检测模块、烟感温感报警模块、北斗授时定位模块，所述主控单元包括嵌入了2个Microblaze软核的FPGA，嵌入的两个Microblaze软核分别作为CPU1和CPU2。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，其特征在于，所述网口通讯模块包括88E1111芯片，所述88E1111芯片与主控单元的网络通信端口连接；所述串口控制模块和北斗授时定位模块均与主控单元的串口通信端口连接；所述红外通信模块和红外学习模块分别与主控单元的总线空闲端口连接；所述烟感温感报警模块与主控单元的IO通信端口连接；所述烟雾温度检测模块与主控单元的SPI通信端口连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，其特征在于，所述FPGA为Xilinx公司的Virtex5系列。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，其特征在于，控制设备还包括电源模块，所述电源模块包括多个不同电压输出引脚，多个不同电压输出引脚分别与需要相应电压的主控单元、网口通讯模块、串口控制模块、红外通信模块、红外学习模块、烟雾温度检测模块、烟感温感报警模块、北斗授时定位模块连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，其特征在于，所述串口控制模块包括串口电平转换芯片MAX3232和MAX3285，芯片MAX3232和MAX3285分别与主控单元连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，其特征在于，所述北斗授时定位模块使用芯片为内部集成了BD2B1/GPS L1双模SOC基带芯片和可配置的BD2B1/GPS L1双模射频芯片的UM220-III。

7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的双冗余集中控制设备，其特征在于，烟雾温度检测模块中的温度检测部件使用芯片为DS18B20。