CN211015480U - 基于fpga的边缘计算设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于边缘计算技术领域，涉及一种基于FPGA的边缘计算设备，主要包括FPGA模块、电压监控模块、FPGA监控模块、存储模块和网络接口；电压监控模块被配置为为FPGA模块供电，并监测FPGA模块的电压信息；FPGA监控模块被配置为监测FPGA模块的运行状态，在FPGA模块的发生故障时重启FPGA模块；存储模块被配置为存储FPGA模块的初始化程序、运行数据和调试程序；网络接口被配置为接收调试程序和网络视频数据并输入到FPGA模块。本实用新型存储空间大，运行速度快，具有电压监控和程序运行监控功能，可自动修复故障，减少维护成本；同时可以实现功能重构，根据客户需要通过网络接口实现程序的升级和调试，减少开发成本。

Description

基于FPGA的边缘计算设备

技术领域

本实用新型属于边缘计算技术领域，更具体地说，是涉及一种基于FPGA的边缘计算设备。

背景技术

据中国互联网络信息中心统计：截至2019年6月，我国网络视频用户规模达7.59亿。为了保证网络公共安全，大量的视频或图片数据需要审查，传统的审查技术将采集到的视频等数据传输到服务器或云计算中心进行审核，这对网络带宽要求较高，实时性得不到保证，也增加了网络的负荷。

随着产品不断的更新换代，越来越多的边缘计算产品得到应用，边缘计算是指视频数据采集的边缘端进行视频数据的处理，将视频数据的执行数据或全部数据进行计算，提供实时处理和应答，以及丢弃重复和无效的数据，降低网络负荷，节省成本。但现有的边缘计算产品的分布较为分散，且一般集成在主要设备(如商场收银机)内部，功能单一，一旦主要设备出问题，只能整套设备返厂维修，浪费时间，维修繁琐，如果批量出问题，则影响难以估量。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种基于FPGA的边缘计算设备，以解决现有技术中的边缘计算产品一般集成在主要设备内部，功能单一，主要设备发生故障时只能整套设备返厂维修的问题。

本实用新型实施例提供了一种基于FPGA的边缘计算设备，包括：FPGA模块、电压监控模块、FPGA监控模块、存储模块和网络接口；

所述FPGA模块的电压端与所述电压监控模块的输出端连接，所述FPGA模块的检测端与所述FPGA监控模块的检测端连接，所述FPGA模块的存储端与所述存储模块的输入端连接，所述FPGA模块的数据端与所述网络接口的传输端连接；

所述电压监控模块被配置为为所述FPGA模块供电，并监测所述FPGA模块的电压信息；所述FPGA监控模块被配置为监测所述FPGA模块的运行状态，在所述FPGA模块的发生故障时重启所述FPGA模块；所述存储模块被配置为存储所述FPGA模块的初始化程序、运行数据和调试程序；所述网络接口被配置为接收调试程序和网络视频数据并输入到所述FPGA模块。

进一步的，所述FPGA模块为XCZU7EV-2LFFVC1156芯片。

进一步的，所述电压监控模块为ISL68300芯片。

进一步的，所述FPGA监控模块为watchdog芯片。

进一步的，所述存储模块包括：被配置为存储所述FPGA模块的初始化程序的嵌入式存储器、被配置为存储所述FPGA模块的运行数据的只读存储器和被配置为存储所述FPGA模块的调试程序的调试存储器；

所述嵌入式存储器的输入端、所述只读存储器的输入端和所述调试存储器的输入端均与所述存储模块的输入端连接。

进一步的，所述只读存储器包括：带电可擦可编程只读存储器和快闪存储器。

进一步的，所述调试存储器为DS28EL15Q存储器。

进一步的，所述网络接口包括：被配置为接收所述调试程序的第一网口和被配置为接收所述网络视频数据的第二网口；

所述第一网口的第一端和所述第二网口的第二端均与所述网络接口的传输端连接，所述第一网口的第二端与预设调试终端连接，所述第二网口的第二端与无线通信设备连接。

进一步的，所述基于FPGA的边缘计算设备还包括：USB传输模块；

所述USB传输模块的第一端与所述FPGA模块的数据端连接，所述USB传输模块的第二端与摄像装置和存储设备连接。

进一步的，所述基于FPGA的边缘计算设备还包括：被配置为将接收的传输数据转换为JTAG协议数据的JTAG转换模块；

所述JTAG转换模块的输出端与所述FPGA模块的数据端连接，所述JTAG转换模块将JTAG协议数据发送给所述FPGA模块。

本实用新型实施例中基于FPGA的边缘计算设备与现有技术相比的有益效果在于：装置主要包括FPGA模块、电压监控模块、FPGA监控模块、存储模块和网络接口，结构简单，成本低；电压监控模块为FPGA模块供电，并实现电压信息监测功能；FPGA监控模块监测FPGA模块的运行状态，在FPGA模块的发生故障时重启FPGA模块，实现自动修复故障，减少维护成本；存储模块存储FPGA模块的初始化程序、运行数据和调试程序，存储空间大，运行速度快；网络接口接收调试程序和网络视频数据并输入到FPGA模块，实现功能重构，根据客户需要通过网络接口实现程序的升级和调试，减少开发成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的基于FPGA的边缘计算设备的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种基于FPGA的边缘计算设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1，本实用新型实施例提供的一种基于FPGA的边缘计算设备，FPGA模块100、电压监控模块200、FPGA监控模块300、存储模块400和网络接口500。本实施例的基于FPGA的边缘计算设备可以用于商场收银机、自助收银机以及公共网络安全摄像头采集数据后进行预处理、公共网络安全视频或图片数据审查等。

其中，FPGA模块100的电压端与电压监控模块200的输出端连接，FPGA模块100的检测端与FPGA监控模块300的检测端连接，FPGA模块100的存储端与存储模块400的输入端连接，FPGA模块100的数据端与网络接口500的传输端连接。

具体的，电压监控模块200被配置为为FPGA模块100供电，并监测FPGA模块100的电压信息，还可以将监测的电压信息通过FPGA模块100的数据端和网络接口500上报给预设终端，同时电压监控模块200还可以监测电流信息，在对FPGA模块100进行调试测试时，参照电流信息和电压信息了解FPGA模块100运行状态。

FPGA监控模块300被配置为监测FPGA模块100的运行状态，在FPGA模块100的发生故障时重启FPGA模块100，FPGA监控模块300还可以通过网络接口500将FPGA模块100的故障信息发送给无线模块，无线模块可以将故障信息发送至预设终端或云服务器，使用于远程了解边缘计算设备的状态，还可以远程对FPGA模块100进行定位和维修。

当前市面上的边缘计算设备存在维护困难的问题，边缘计算一般集成在设备内部，如果产品出问题，产品需返回到集成方拆卸，然后二次返回处理，周期长，成本高；本实施例的FPGA监控模块300支持问题通过网络上报，远程问题定位和升级，减少维护成本。

另外，存储模块400被配置为存储FPGA模块100的初始化程序、运行数据和调试程序；网络接口500接收调试程序和网络视频数据并输入到FPGA模块100，实现了多功能的边缘计算设备，极大地满足了客户需求。

上述基于FPGA的边缘计算设备，结构简单，成本低；电压监控模块200为FPGA模块100供电，并实现电压信息监测功能；FPGA监控模块300实现自动修复故障功能，减少了维护成本；存储模块400存储FPGA模块100的初始化程序、运行数据和调试程序，存储空间大，运行速度快；网络接口500接收调试程序和网络视频数据，实现功能重构，根据客户需要通过网络接口500实现程序的升级和调试，减少开发成本。

可选的，FPGA模块100可以为XCZU7EV-2LFFVC1156芯片，该芯片运行速度快，体积小，有效的降低了边缘计算设备尺寸。进一步的，本实施例还包括时钟模块，为XCZU7EV-2LFFVC1156芯片预设频率的时钟信号，示例性的，时钟模块为Si5332A-C型号的时钟芯片，信号稳定，频率范围大。

可选的，电压监控模块200为ISL68300芯片。ISL68300芯片在为FPGA模块100供电的基础上还具备电压电流监测功能，实时监测FPGA模块100的电压电流情况，还可以将电压电流信息上传云系统，便于用户了解FPGA模块的用电状态。

可选的，FPGA监控模块300为watchdog(看门狗)芯片。由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成各种寄存器和内存的数据混乱，会导致程序指针错误，不在程序区，取出错误的程序指令等，都有可能会陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续正常工作，导致整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果。所以本实施例在边缘计算设备中加入watchdog芯片，看门狗命令在程序的中断中拥有最高的优先级。

watchdog芯片包括软件watchdog和系统watchdog：软件watchdog上电即工作，如果FPGA模块100启动异常，则咬狗复位，如果FPGA模块100启动正常，进系统后关狗；系统watchdog随FPGA模块100启动一起工作，关键业务程序定期喂狗，当业务程序不能正常喂狗(挂死或退出)，则咬狗复位。

在一个实施例中，参见图2，存储模块400可以包括：被配置为存储FPGA模块100的初始化程序的嵌入式存储器、被配置为存储FPGA模块100的运行数据的只读存储器和被配置为存储FPGA模块100的调试程序的调试存储器；嵌入式存储器的输入端、只读存储器的输入端和调试存储器的输入端均与存储模块400的输入端连接。

嵌入式存储器可以为EMMC(Embedded Multi Media Card，嵌入式多媒体卡)，eMMC可以提供标准接口并管理闪存，还带有快闪存储器设备(Nand Flash)，具有快速、可升级的性能，尺寸小，成本低，其接口电压可以是1.8v或3.3v。本实施例的边缘计算设备开机时从EMMC中启动完成初始化。

可选的，只读存储器包括：带电可擦可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read Only Memory，EEPROM)和快闪存储器。带电可擦可编程只读存储器为掉电后数据不丢失的存储芯片，可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程，即插即用。

可选的，调试存储器为DS28EL15Q存储器，DS28EL15Q存储器为预留的程序调试存储器，在对FPGA模块100进行调试、添加客户需求功能或升级时，可以运用DS28EL15Q存储器，减少其他存储器的使用空间。

可选的，存储模块400还可以包括DDR4规格内存条，增大设备的存储量，提高运行速度。

可选的，网络接口500包括：被配置为接收调试程序的第一网口和被配置为接收网络视频数据的第二网口；第一网口的第一端和第二网口的第二端均与网络接口500的传输端连接，第一网口的第二端与预设调试终端连接，第二网口的第二端与无线通信设备连接。进一步的，本实施例的边缘计算设备还可以包括无线通信设备。无线通信设备与第二网口连接。

FPGA模块100通过第二网口接入网络视频数据，在本地完成处理后通过第二网口上传到服务器(或云存储、云计算)；当有需求或功能变更时，通过第一网口进行升级；当设备异常时，也可通过第二网口及时问题上报、也可通过第一网口进行定位和维护，解决问题。

应理解，本实施例对网络接口500的网路接口数量不进行限定。

本实施例的网络接口500可以为RJ45连接器。RJ45连接器有8个凹槽和8个触点，为数据电缆的端接，可以实现设备、配线架模块的连接及变更，满足多类型传输标准，符合T568A和T568B线序，具有防止松动、插拔、自锁等功能。

实际应用中，边缘计算本身依赖网络和云计算云存储协同工作，所以在工作过程中会联网；本实施例还可以另架设服务器，定期轮询边缘计算设备状态，如工作状态(业务是否正常)、FPGA模块100的状态(温度、电压、电流、内存占用率等)，当连续异常时则判断错误并上传，当有新版本需要升级时，服务器会给边缘计算设备升级(升级有主备倒换，升级不影响当前业务运行，当重启时切换到新版本)。

在一个实施例中，基于FPGA的边缘计算设备还可以包括：USB传输模块600；USB传输模块600的第一端与FPGA模块100的数据端连接，USB传输模块600的第二端与摄像装置和存储设备连接。

可选的，USB传输模块600可以包括多个USB接口，可以通过USB接口连接摄像头获取视频数据，还可以用于连接额外的存储设备，也可以连接其他。应理解，本实施例对USB接口的数量不进行限定。

在一个实施例中，基于FPGA的边缘计算设备还包括：被配置为将接收的传输数据转换为JTAG协议数据的JTAG转换模块700；JTAG转换模块700的输出端与FPGA模块100的数据端连接，JTAG转换模块700将JTAG协议数据发送给FPGA模块100。

可选的，本实施例的基于FPGA的边缘计算设备还可以包括：被配置为传输数据的D型数据接口连接器(DB9)；D型数据接口连接器的输出端通过RS232总线与FPGA模块100的数据端连接。

可选的，本实施例的边缘计算设备还可以包括：被配置为提示FPGA模块100工作状态的LED灯。

上述实施例中，边缘计算设备主要包括FPGA模块100、电压监控模块200、FPGA监控模块300、存储模块400和网络接口500，结构简单，成本低；电压监控模块200为FPGA模块100供电，并实现电压信息监测功能；FPGA监控模块300监测FPGA模块100的运行状态，在FPGA模块100的发生故障时重启FPGA模块100，实现自动修复故障，减少维护成本；存储模块400存储FPGA模块100的初始化程序、运行数据和调试程序，存储空间大，运行速度快；网络接口500接收调试程序和网络视频数据并输入到FPGA模块100，实现功能重构，根据客户需要通过网络接口500实现程序的升级和调试，减少开发成本。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型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的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，包括：FPGA模块、电压监控模块、FPGA监控模块、存储模块和网络接口；

所述FPGA模块的电压端与所述电压监控模块的输出端连接，所述FPGA模块的检测端与所述FPGA监控模块的检测端连接，所述FPGA模块的存储端与所述存储模块的输入端连接，所述FPGA模块的数据端与所述网络接口的传输端连接；

所述电压监控模块被配置为为所述FPGA模块供电，并监测所述FPGA模块的电压信息；所述FPGA监控模块被配置为监测所述FPGA模块的运行状态，在所述FPGA模块的发生故障时重启所述FPGA模块；所述存储模块被配置为存储所述FPGA模块的初始化程序、运行数据和调试程序；所述网络接口被配置为接收调试程序和网络视频数据并输入到所述FPGA模块。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，所述FPGA模块为XCZU7EV-2LFFVC1156芯片。

3.如权利要求1所述的基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，所述电压监控模块为ISL68300芯片。

4.如权利要求1所述的基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，所述FPGA监控模块为watchdog芯片。

5.如权利要求1所述的基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，所述存储模块包括：被配置为存储所述FPGA模块的初始化程序的嵌入式存储器、被配置为存储所述FPGA模块的运行数据的只读存储器和被配置为存储所述FPGA模块的调试程序的调试存储器；

所述嵌入式存储器的输入端、所述只读存储器的输入端和所述调试存储器的输入端均与所述存储模块的输入端连接。

6.如权利要求5所述的基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，所述只读存储器包括：带电可擦可编程只读存储器和快闪存储器。

7.如权利要求5所述的基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，所述调试存储器为DS28EL15Q存储器。

8.如权利要求1至7任一项所述的基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，所述网络接口包括：被配置为接收所述调试程序的第一网口和被配置为接收所述网络视频数据的第二网口；

所述第一网口的第一端和所述第二网口的第二端均与所述网络接口的传输端连接，所述第一网口的第二端与预设调试终端连接，所述第二网口的第二端与无线通信设备连接。

9.如权利要求1至7任一项所述的基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，所述基于FPGA的边缘计算设备还包括：USB传输模块；

所述USB传输模块的第一端与所述FPGA模块的数据端连接，所述USB传输模块的第二端与摄像装置和存储设备连接。

10.如权利要求1至7任一项所述的基于FPGA的边缘计算设备，其特征在于，所述基于FPGA的边缘计算设备还包括：被配置为将接收的传输数据转换为JTAG协议数据的JTAG转换模块；

所述JTAG转换模块的输出端与所述FPGA模块的数据端连接，所述JTAG转换模块将JTAG协议数据发送给所述FPGA模块。

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