大規(guī)模區(qū)域監(jiān)控與通信系統(tǒng)的SOPC芯片組

　　0 引 言

　　區(qū)域監(jiān)控應(yīng)用非常廣泛，早期出現(xiàn)的智能大廈的煙火報警和能源供應(yīng)系統(tǒng)、工業(yè)的溫度壓力多點監(jiān)控系統(tǒng)等，到目前的智能小區(qū)、環(huán)保監(jiān)測等。一個區(qū)域監(jiān)控分為幾個分區(qū)，如智能大廈的一層為一分區(qū)，使用一個主控機(jī)和幾個分機(jī)構(gòu)成分布式處理。區(qū)域監(jiān)控的發(fā)展趨向于大覆蓋范圍，更細(xì)密的傳感點，各點更多信息量，而對信息的傳輸和處理質(zhì)量則要求更高，基本不能虛、漏報信息。典型如三峽庫區(qū)的一系列環(huán)境和安全的區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了上述特點。

　　1 設(shè)計思想

　　1.1　現(xiàn)階段和發(fā)展提出了亟待解決的關(guān)鍵性問題

　　現(xiàn)在，同一區(qū)域內(nèi)混布了各種功能的監(jiān)測傳感器，類型、精度利速率各式各樣，因而必然要求控制設(shè)備能動態(tài)配置或在線更新，以適應(yīng)不同類型傳感器利不同總線通信協(xié)議：也就是說能方便地配套各種功能傳感器。

　　并且，控制設(shè)備還應(yīng)該方便動態(tài)地適應(yīng)不同的區(qū)域，不必繁瑣安裝利調(diào)試；所謂強(qiáng)通用性，能用于各種場合。

　　再者，區(qū)域規(guī)?？焖贁U(kuò)大、傳感點密度增加，卻要繼續(xù)保證信息更高速率和更高處理質(zhì)量；必然要求全部設(shè)備精簡、易擴(kuò)展、更低成本、布局簡化；所謂能滿足新一代需求的高效性能，同時更低成本、更精簡設(shè)備、模塊化方便易用。

　　另外，新一代區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)中，一些監(jiān)測點還需要實時性、優(yōu)先權(quán)和特殊處理等更高的功能要求；也就是說必須改變不能對各點作綜合細(xì)致分析的現(xiàn)狀，功能上細(xì)致到能對每個點個性化處理的新層次。

　　1.2  繼續(xù)應(yīng)用現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計思想將面臨的困境

　　通常，多點信息只要經(jīng)過濾波除噪、鑒別篩選等簡單的信息處理，上位機(jī)就能根據(jù)信息的處理給出一監(jiān)控區(qū)域分成多個分區(qū)模式的分布式處理。

　　但區(qū)域監(jiān)控現(xiàn)階段和發(fā)展過程已經(jīng)提出非常強(qiáng)大的信息處理需求。再由上位機(jī)來完成多點信息的主要處理過程，則一部分會要求上位機(jī)極高頻率，即使上位機(jī)提升性能勉強(qiáng)應(yīng)付，也影響上位機(jī)的控制職能，不便優(yōu)化系統(tǒng)和擴(kuò)展規(guī)模，不符合工程模塊化的全球趨勢。更主要在于隨規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，系統(tǒng)設(shè)計將進(jìn)入死角。即使上位機(jī)采用最先進(jìn)的主機(jī)系統(tǒng)，也根本不可能應(yīng)付。如對多個點的并行實時的個性化處理等。

　　簡言之，區(qū)域規(guī)模飛速擴(kuò)大和對信息更高的處理要求，已經(jīng)完全超出現(xiàn)有多點區(qū)域監(jiān)控的多分區(qū)模式所能解決的范疇。多點區(qū)域監(jiān)控的發(fā)展趨勢已要求誕生一種新的分布式處理模式，和相關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思想理論。

　　1.3   多重上位機(jī)分布式處理思想

　　借鑒時分復(fù)用(TDM)的通信調(diào)制思想，以功能的精細(xì)分割復(fù)用來搭構(gòu)出巨大繁瑣的功能體，在新的層次上適應(yīng)了區(qū)域規(guī)模的擴(kuò)大，全系統(tǒng)性能質(zhì)的提高區(qū)域分布龐大的監(jiān)測點，各點的信息處理要求可以分為兩過程：第一過程實時性強(qiáng)，以繁瑣龐大的運(yùn)算處理、通信傳輸為主，目標(biāo)為分析出一點信息的最終結(jié)論，不妨稱該過程為“監(jiān)測信息的前期分析”；第二過程則針對該點信息結(jié)論輸出相應(yīng)動作的驅(qū)動信號，因此功能精簡、控制性強(qiáng)，不妨稱該過程為“監(jiān)測信息的響應(yīng)動作輸出”。

　　多重上位機(jī)分布式處理思想就是將常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)的所有測控功能完全肢解，繪制出樹型結(jié)構(gòu)的功能圖，每一節(jié)點細(xì)分為一功能模塊；葉節(jié)點模塊就分布到需要該功能的監(jiān)控區(qū)域中，構(gòu)成該區(qū)域的一小型獨立上位機(jī)系統(tǒng)；多個小型上位機(jī)又按功能關(guān)系與父節(jié)點構(gòu)成中型功能的新一層上位機(jī)系統(tǒng)；依次而上，構(gòu)成多重分布式的上位機(jī)系統(tǒng)；樹型的多重上位機(jī)系統(tǒng)借鑒通信中對信息多階TDM(時分復(fù)用)調(diào)制的思想，將集中于一體的上位機(jī)的各種功能看作通信中的各種初始信息，對龐大繁瑣的功能體進(jìn)行功能的細(xì)分復(fù)用，于是就像TDM調(diào)制實現(xiàn)了將龐大的信息精簡傳輸處理一樣，達(dá)到將繁瑣復(fù)雜的功能體系以精簡的功能節(jié)點和節(jié)點關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的目的。因為各節(jié)點上位機(jī)功能簡明專一，所以性能突出，設(shè)備很精簡；該思想的節(jié)點(上位機(jī))數(shù)增加很多、節(jié)點功能簡單，所以用門電路實現(xiàn)各節(jié)點上位機(jī)硬件，在技術(shù)和成本上都最合適；動態(tài)配置技術(shù)可在硬件上減少上位機(jī)數(shù)量。

　　該思想與常見分布式思想也有本質(zhì)區(qū)別：尋常的分布式一般按主從機(jī)結(jié)構(gòu)，以邏輯、分區(qū)功能、簡便等角度衡量出主從機(jī)分布圖，沒有完全固定的模式，每一上位機(jī)都包含了比較全面復(fù)雜的控制功能，可以獨擔(dān)一面。但該思想中，所有節(jié)點都是最精簡的專一功能點，不存在主從的概念，只有子節(jié)點、父節(jié)點等關(guān)系起來的結(jié)構(gòu)網(wǎng)才體現(xiàn)出復(fù)雜的功能體；所以各節(jié)點上位機(jī)可以有固定的標(biāo)準(zhǔn)功能，構(gòu)成全部樹型網(wǎng)的各設(shè)備能有統(tǒng)一的模式，因此設(shè)計人員的工作在于各節(jié)點的具體位置和關(guān)聯(lián)線。也因此說明采用門電路器件實現(xiàn)各節(jié)點的硬件優(yōu)勢。區(qū)域監(jiān)控的發(fā)展趨勢主要針對海量信息“前期分析”過程提出了相當(dāng)高要求。因此，若將大規(guī)模區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)劃分為“前期分析”出信息結(jié)論和“響應(yīng)動作輸出”兩部分，則多重上位機(jī)分布式處理系統(tǒng)的根節(jié)點就是實現(xiàn)“響應(yīng)動作輸出”功能的上位機(jī)，也即最頂層上位機(jī)主控制機(jī)，其余的節(jié)點網(wǎng)構(gòu)成“前期分析”網(wǎng)，下面稱作“信息分析部件”：

　　1.3.1　系統(tǒng)流程上：信息分析部件對每一監(jiān)測點配置一條實時流水線，進(jìn)行個性化預(yù)處理，完成各點前期信息分析過程；對所有監(jiān)測點的前期信息分析進(jìn)行綜合預(yù)處理，將信息結(jié)論傳輸?shù)礁?jié)點上位機(jī)；根節(jié)點上位機(jī)只負(fù)責(zé)動作輸出過程；根節(jié)點采用常規(guī)微處理器；信息分析部件由多個門電路數(shù)字芯片來實現(xiàn)，架構(gòu)出各節(jié)點網(wǎng)。如圖1。

　　1.3.2　器件選擇上：信息分析部件選用實時性強(qiáng)的并行門電路芯片來實現(xiàn)，便于靈活構(gòu)筑出功能節(jié)點網(wǎng)；根節(jié)點上位機(jī)仍采用常規(guī)單片機(jī)，因此對現(xiàn)有常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)的升級只需要將信息分析部件嵌入到原有上位機(jī)與各點傳感器間，充分利用系統(tǒng)的原有設(shè)備。

　　1.3.3　配套功能上：信息分析部件能動態(tài)配置，以便用于各種區(qū)域監(jiān)控場合；設(shè)備精簡、功能穩(wěn)定低價；更主要在于易拓?fù)洹⒆顑?yōu)布局。 2 芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程

　　2.1　大規(guī)模區(qū)域監(jiān)控與通信系統(tǒng)(主ˆ從)芯片的前期信息分析部件流程，如圖2。

　　2.2　大規(guī)模區(qū)域監(jiān)控與通信系統(tǒng)(主ˆ從)芯片的多階TDM鏈網(wǎng)流程，如圖3。

　　3芯片主要優(yōu)勢性能的測試和技術(shù)簡述

　　3.1  多重上位機(jī)分布式處理思想變革現(xiàn)有系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計思想，滿足區(qū)域監(jiān)控發(fā)展的關(guān)鍵所需如上所述，現(xiàn)有多點區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)的性能根本不易于區(qū)域大規(guī)模的發(fā)展。

　　適應(yīng)區(qū)域大規(guī)模擴(kuò)展的測試性能：測試證明，對前期分析過程有用專職的信息分析部件(一個芯片組)來處理，性能就完全滿足了區(qū)域規(guī)模擴(kuò)大所提出的關(guān)鍵需求；且因為對每一監(jiān)控點配置一條功能流水線，性能還有很大的提升空間。區(qū)域規(guī)模上具體表現(xiàn)：每芯片的覆蓋半徑200米，每片預(yù)設(shè)為8監(jiān)控點；芯片組最大規(guī)模1024點，每組容量128片；則每組的最大有效監(jiān)控區(qū)域可達(dá)115×107米2以上；每一組芯片負(fù)責(zé)區(qū)域監(jiān)控的一個分區(qū)，則最大覆蓋范圍是常規(guī)區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)一個極大分區(qū)(約104米2，參考文獻(xiàn)5)的103倍，規(guī)模擴(kuò)大到常規(guī)思想采用常規(guī)設(shè)備根本不可能達(dá)到的區(qū)域范圍；各點流不漲的片內(nèi)信道速率為4Mbitˆs；多點信息并行處理，芯片運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

　　信息分析與綜合部件的技術(shù)簡述：芯片對各路監(jiān)控點采用并行流水結(jié)構(gòu)，分為接口系統(tǒng)、信息分析系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)綜合系統(tǒng)和TDM通信系統(tǒng)，按流程一一簡述。首先，接口系統(tǒng)根據(jù)在線配置的信息，得知各路傳感器的精度位數(shù)、總線協(xié)議類型，在片內(nèi)動態(tài)給各路傳感器分配相應(yīng)信號通道，完成各傳感器信息與芯片間的通信；各路信號先并行進(jìn)入到信息分析系統(tǒng)，流程為：濾波除高斯噪聲以整形電平，并剔除突發(fā)噪聲干擾；鑒定傳感器信道類型為報警中斷型還是數(shù)據(jù)型，各路中斷信號進(jìn)入報警中斷型的各條流水線，數(shù)據(jù)信號到數(shù)據(jù)型的各條流水線；片內(nèi)設(shè)置8塊特定功能門電路模塊，所對應(yīng)的不同處理功能由根節(jié)點上位機(jī)的“配置作用”在線更新；上位機(jī)根據(jù)各路監(jiān)控點不同處理要求，動態(tài)配置各特定功能模塊到各路的處理流水線上。完成了先期分析的中斷、數(shù)據(jù)兩型的信號再經(jīng)由綜合系統(tǒng)，分別區(qū)分出信號到達(dá)次序，按次序和預(yù)置優(yōu)先權(quán)得出TDM序列，送到兩種類型的多階TDM通信網(wǎng)。

　　3.2   區(qū)域最優(yōu)布局

　　3.2.1　最優(yōu)布局：采用多階TDM通信鏈網(wǎng)、主從兩種類型的芯片來構(gòu)成芯片組的創(chuàng)新拓?fù)渌枷耄瑢崿F(xiàn)在區(qū)域監(jiān)控一個分區(qū)中的最優(yōu)布局，最簡布線和極易擴(kuò)展。區(qū)域每層ˆ分區(qū)多個監(jiān)測點的最優(yōu)布局如圖4，是現(xiàn)有監(jiān)控分區(qū)最點布局中一種最精簡的布局，各點構(gòu)成多重TDM通信鏈網(wǎng)。每片8點，擴(kuò)展多片只需每芯片的片間信道直接級聯(lián)，最大擴(kuò)展到1024點，128片，非常簡便。

　　3.2.12　主從芯片方式的拓?fù)浼夹g(shù)簡述：主芯片和從芯片的門電路結(jié)構(gòu)略有不同，只有主芯片才能做根節(jié)點的子節(jié)點，才有與根節(jié)點上位機(jī)進(jìn)行雙工通信的TDM收發(fā)模塊，主芯處與上位機(jī)一套信道雙線鏈接，收發(fā)各一鏈；各芯片均帶多片間通信的TDM，每TDM鏈單線雙工，帶寬只有主芯片與上位機(jī)信道的一半，構(gòu)成片間多階TDM網(wǎng)。當(dāng)傳感器數(shù)目在一芯片容量以內(nèi)，則直接用主芯片；擴(kuò)展多路(如N+8路×3位)，則對主芯片再串行級聯(lián)上位機(jī)的[Nˆ8]個從芯片。直接串聯(lián)聯(lián)線?？蓴U(kuò)展到最多128片。主從芯片的多重TDM網(wǎng)，實現(xiàn)了輕易擴(kuò)展、最優(yōu)布局布線的特點；成本節(jié)??；主從芯片結(jié)構(gòu)有別，完全利用門電路資源。。

　　3.3  動態(tài)配置使得新監(jiān)控系統(tǒng)通用性強(qiáng)

　　3.3.1　動態(tài)配置芯片的接口、動態(tài)改變功能流水線結(jié)構(gòu)的測試性能：新的監(jiān)控系統(tǒng)能適用各區(qū)域監(jiān)控場合；而且即便對原有監(jiān)控系統(tǒng)的升級，由于芯片能混接各型傳感器，所以能保留原已安裝的傳感器，并混裝新的傳感器，因此升級變得更簡單更低投入。

　　芯片的接口系統(tǒng)采用動態(tài)配置，并動態(tài)組合構(gòu)成流水線的各功能模塊在流水線的序列位置；芯片設(shè)置8路×3位傳感器接口；芯片的接口性能顯示芯片能在線配置接口協(xié)議，支持I2C、串行、One2Wire、SPI，或任意幾路位組合為并行通信，混接各型傳感器，每芯片最大可接24路×1位的傳感器。芯片動態(tài)接口系統(tǒng)的流程如圖5。

　　3.3.2　對各點動態(tài)配置各型協(xié)議的通信信道來實現(xiàn)動態(tài)配置的技術(shù)簡述：芯片信號引腳為雙向IˆO。芯片群運(yùn)行前，上位機(jī)將各路傳感器的協(xié)議和連接的引腳號在線配置給芯片，接口組合模塊動態(tài)組合對應(yīng)的多個引腳構(gòu)成一路傳感器的信號接口，并配置每路接口到一相應(yīng)通信協(xié)議的信道上。每個信道完成一種通信協(xié)議的雙工通信，共有UART串行，并行(8bit，11bit，12bit，16bit，20bit，24bit)，I2C，SPI，one-wire類型，并且在線更新升級。

　　3.4　遠(yuǎn)程高精度

　　3.4.1　遠(yuǎn)程通信的測試性能：配套8個UART型監(jiān)測傳感器，以簡單的串口通信設(shè)備和RS232協(xié)議，組成的區(qū)域監(jiān)控實驗顯示，在校園環(huán)境監(jiān)控區(qū)域半徑200米，各信道速率吻合設(shè)計，芯片穩(wěn)定工作；更突出的市場優(yōu)勢在于，采用上述簡單的通信設(shè)備，在所觀測的30分鐘內(nèi)收發(fā)數(shù)據(jù)100%準(zhǔn)確率，信息沒有任何差漏。測試證明編碼信道相當(dāng)高效，芯片可穩(wěn)定實現(xiàn)數(shù)據(jù)低成本的高效遠(yuǎn)程中速多點通信。

　　3.4.2　多重TDM鏈網(wǎng)和編碼信道實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速高精度通信的技術(shù)簡述：多重TDM網(wǎng)收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的幀，不同傳感器信號先在各流水線的各型協(xié)議信道中轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)幀格式，由各路信道中的雙口RAM實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。為了標(biāo)準(zhǔn)通訊幀高效傳輸，TDM網(wǎng)中設(shè)計兩條TDM雙工鏈，分別對應(yīng)一位中斷信號的報警型傳感器和給出多位數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)型傳感器。每條TDM雙工鏈由一套片內(nèi)的多個信號通道、緩存棧，TDM序模塊和TDM收發(fā)模塊，和一套芯片間的TDM級聯(lián)鏈組成。鏈上速率4Mbit/S。多芯片級聯(lián)擴(kuò)展群中，從芯片與主芯片間按多階TDM級聯(lián)鏈通信，由主芯片完成芯片群與上位機(jī)間的雙工通信。遠(yuǎn)距條件下，在TDM收發(fā)模塊中在線配置數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距編碼信道。

　　3.5　在ACEX1K100的FPGA上配置門電路網(wǎng)表流片成該ASIC(0.18工藝)，哈佛結(jié)構(gòu)，并行實時、SOPC、低功耗成本、保護(hù)產(chǎn)權(quán)

　　4  結(jié) 論

　　4.1  創(chuàng)新的系統(tǒng)和技術(shù)理論滿足了區(qū)域監(jiān)控發(fā)展的關(guān)鍵需求

　　為著眼解決目前區(qū)域監(jiān)控發(fā)展趨勢中的一些關(guān)鍵需求，創(chuàng)新的細(xì)分復(fù)用思想高效針對了區(qū)域規(guī)模擴(kuò)大和監(jiān)測點密度增加所導(dǎo)致的繁瑣龐大控制功能要求；測試證明該設(shè)計思想保證了區(qū)域監(jiān)控發(fā)展趨勢所需的高技術(shù)性能；精簡、模塊化、統(tǒng)一的設(shè)備體系。

　　4.2　測試證明芯片性能符合規(guī)模擴(kuò)大的各種要求，市場優(yōu)勢明顯

　　測試顯示，芯片組應(yīng)用方法簡明，性能穩(wěn)定；每路流水線上能通過在線配置得到對該路的個性化要求，具體分析每一路的信息特征，并挖掘出所需的重要信息結(jié)論。性價比突出，在市場具有優(yōu)勢地位。以動態(tài)配置來適合廣泛應(yīng)用場合；SOPC在線更新；系統(tǒng)可以部分高速或低速動態(tài)配置流水線功能，節(jié)省資源，以“柔性”門電路適應(yīng)不同的監(jiān)控區(qū)域。

　　4.2  對其他領(lǐng)域研究的參考意義

　　對功能細(xì)分復(fù)用實質(zhì)，可以應(yīng)用到其它領(lǐng)域的研究，并具有同樣的優(yōu)勢：簡明的功能體系結(jié)構(gòu)，精簡統(tǒng)一的設(shè)備模式，以架構(gòu)節(jié)點關(guān)系為設(shè)計重心。各片間、片內(nèi)信道高頻通訊，可為多點通信網(wǎng)提供應(yīng)用和設(shè)計參考；將系統(tǒng)芯片化，簡化設(shè)備，利于優(yōu)化電路性能，信價比好，為設(shè)備芯片化的研究提供參考；主從式拓?fù)涮卣魃系脑O(shè)計，也可為多點分布式系統(tǒng)的拓?fù)洳季痔峁﹨⒖肌?/p>