大规模区域监控与通信系统的SOPC芯片组

摘 要：大规模区域监控有大量传感点、各点分布广、各点信号都需要滤波除噪、分析信息、控制动作输出等响应。该芯片系统借鉴TDM通信调制理论，引入到测控领域，变革将上述庞大响应都集于一个控制系统完成的常规测控思想，提出多重上位机分布式处理的新思想。该思想将复杂控制功能最小模块化、功能细分复用。芯片组使监控区域能快速扩大规模，最优布局，设备精简；保证大规模远程信息高速传输和高质量处理的关键技术需求。

关键词：区域监控；编码信道；分布式处理；多阶TDM；SOPC；FPGA

0 引 言

区域监控应用非常广泛，早期出现的智能大厦的烟火报警和能源供应系统、工业的温度压力多点监控系统等，到目前的智能小区、环保监测等。一个区域监控分为几个分区，如智能大厦的一层为一分区，使用一个主控机和几个分机构成分布式处理。区域监控的发展趋向于大覆盖范围，更细密的传感点，各点更多信息量，而对信息的传输和处理质量则要求更高，基本不能虚、漏报信息。典型如三峡库区的一系列环境和安全的区域监控系统，充分体现了上述特点。

1 设计思想

1.1　现阶段和发展提出了亟待解决的关键性问题

现在，同一区域内混布了各种功能的监测传感器，类型、精度利速率各式各样，因而必然要求控制设备能动态配置或在线更新，以适应不同类型传感器利不同总线通信协议：也就是说能方便地配套各种功能传感器。

并且，控制设备还应该方便动态地适应不同的区域，不必繁琐安装利调试；所谓强通用性，能用于各种场合。

再者，区域规模快速扩大、传感点密度增加，却要继续保证信息更高速率和更高处理质量；必然要求全部设备精简、易扩展、更低成本、布局简化；所谓能满足新一代需求的高效性能，同时更低成本、更精简设备、模块化方便易用。

另外，新一代区域监控系统中，一些监测点还需要实时性、优先权和特殊处理等更高的功能要求；也就是说必须改变不能对各点作综合细致分析的现状，功能上细致到能对每个点个性化处理的新层次。

1.2 继续应用现有系统设计思想将面临的困境

通常，多点信息只要经过滤波除噪、鉴别筛选等简单的信息处理，上位机就能根据信息的处理给出一监控区域分成多个分区模式的分布式处理。

但区域监控现阶段和发展过程已经提出非常强大的信息处理需求。再由上位机来完成多点信息的主要处理过程，则一部分会要求上位机极高频率，即使上位机提升性能勉强应付，也影响上位机的控制职能，不便优化系统和扩展规模，不符合工程模块化的全球趋势。更主要在于随规模进一步扩大，系统设计将进入死角。即使上位机采用最先进的主机系统，也根本不可能应付。如对多个点的并行实时的个性化处理等。

简言之，区域规模飞速扩大和对信息更高的处理要求，已经完全超出现有多点区域监控的多分区模式所能解决的范畴。多点区域监控的发展趋势已要求诞生一种新的分布式处理模式，和相关的监控系统设计思想理论。

1.3 多重上位机分布式处理思想

借鉴时分复用(TDM)的通信调制思想，以功能的精细分割复用来搭构出巨大繁琐的功能体，在新的层次上适应了区域规模的扩大，全系统性能质的提高区域分布庞大的监测点，各点的信息处理要求可以分为两过程：第一过程实时性强，以繁琐庞大的运算处理、通信传输为主，目标为分析出一点信息的最终结论，不妨称该过程为“监测信息的前期分析”；第二过程则针对该点信息结论输出相应动作的驱动信号，因此功能精简、控制性强，不妨称该过程为“监测信息的响应动作输出”。

多重上位机分布式处理思想就是将常规监控系统的所有测控功能完全肢解，绘制出树型结构的功能图，每一节点细分为一功能模块；叶节点模块就分布到需要该功能的监控区域中，构成该区域的一小型独立上位机系统；多个小型上位机又按功能关系与父节点构成中型功能的新一层上位机系统；依次而上，构成多重分布式的上位机系统；树型的多重上位机系统借鉴通信中对信息多阶TDM(时分复用)调制的思想，将集中于一体的上位机的各种功能看作通信中的各种初始信息，对庞大繁琐的功能体进行功能的细分复用，于是就像TDM调制实现了将庞大的信息精简传输处理一样，达到将繁琐复杂的功能体系以精简的功能节点和节点关联结构来实现的目的。因为各节点上位机功能简明专一，所以性能突出，设备很精简；该思想的节点(上位机)数增加很多、节点功能简单，所以用门电路实现各节点上位机硬件，在技术和成本上都最合适；动态配置技术可在硬件上减少上位机数量。

该思想与常见分布式思想也有本质区别：寻常的分布式一般按主从机结构，以逻辑、分区功能、简便等角度衡量出主从机分布图，没有完全固定的模式，每一上位机都包含了比较全面复杂的控制功能，可以独担一面。但该思想中，所有节点都是最精简的专一功能点，不存在主从的概念，只有子节点、父节点等关系起来的结构网才体现出复杂的功能体；所以各节点上位机可以有固定的标准功能，构成全部树型网的各设备能有统一的模式，因此设计人员的工作在于各节点的具体位置和关联线。也因此说明采用门电路器件实现各节点的硬件优势。区域监控的发展趋势主要针对海量信息“前期分析”过程提出了相当高要求。因此，若将大规模区域监控系统划分为“前期分析”出信息结论和“响应动作输出”两部分，则多重上位机分布式处理系统的根节点就是实现“响应动作输出”功能的上位机，也即最顶层上位机主控制机，其余的节点网构成“前期分析”网，下面称作“信息分析部件”：

1.3.1　系统流程上：信息分析部件对每一监测点配置一条实时流水线，进行个性化预处理，完成各点前期信息分析过程；对所有监测点的前期信息分析进行综合预处理，将信息结论传输到根节点上位机；根节点上位机只负责动作输出过程；根节点采用常规微处理器；信息分析部件由多个门电路数字芯片来实现，架构出各节点网。如图1。

1.3.2　器件选择上：信息分析部件选用实时性强的并行门电路芯片来实现，便于灵活构筑出功能节点网；根节点上位机仍采用常规单片机，因此对现有常规监控系统的升级只需要将信息分析部件嵌入到原有上位机与各点传感器间，充分利用系统的原有设备。

1.3.3　配套功能上：信息分析部件能动态配置，以便用于各种区域监控场合；设备精简、功能稳定低价；更主要在于易拓扑、最优布局。

2芯片的系统结构流程

2.1　大规模区域监控与通信系统(主ˆ从)芯片的前期信息分析部件流程，如图2。

2.2　大规模区域监控与通信系统(主ˆ从)芯片的多阶TDM链网流程，如图3。

3芯片主要优势性能的测试和技术简述

3.1 多重上位机分布式处理思想变革现有系统的常规设计思想，满足区域监控发展的关键所需

如上所述，现有多点区域监控系统的性能根本不易于区域大规模的发展。

适应区域大规模扩展的测试性能：测试证明，对前期分析过程有用专职的信息分析部件(一个芯片组)来处理，性能就完全满足了区域规模扩大所提出的关键需求；且因为对每一监控点配置一条功能流水线，性能还有很大的提升空间。区域规模上具体表现：每芯片的覆盖半径200米，每片预设为8监控点；芯片组最大规模1024点，每组容量128片；则每组的最大有效监控区域可达115×107米2以上；每一组芯片负责区域监控的一个分区，则最大覆盖范围是常规区域监控系统一个极大分区(约104米2，参考文献5)的103倍，规模扩大到常规思想采用常规设备根本不可能达到的区域范围；各点流不涨的片内信道速率为4Mbitˆs；多点信息并行处理，芯片运行可靠稳定。

信息分析与综合部件的技术简述：芯片对各路监控点采用并行流水结构，分为接口系统、信息分析系统、结构综合系统和TDM通信系统，按流程一一简述。首先，接口系统根据在线配置的信息，得知各路传感器的精度位数、总线协议类型，在片内动态给各路传感器分配相应信号通道，完成各传感器信息与芯片间的通信；各路信号先并行进入到信息分析系统，流程为：滤波除高斯噪声以整形电平，并剔除突发噪声干扰；鉴定传感器信道类型为报警中断型还是数据型，各路中断信号进入报警中断型的各条流水线，数据信号到数据型的各条流水线；片内设置8块特定功能门电路模块，所对应的不同处理功能由根节点上位机的

“配置作用”在线更新；上位机根据各路监控点不同处理要求，动态配置各特定功能模块到各路的处理流水线上。完成了先期分析的中断、数据两型的信号再经由综合系统，分别区分出信号到达次序，按次序和预置优先权得出TDM序列，送到两种类型的多阶TDM通信网。

3.2 区域最优布局

3.2.1　最优布局：采用多阶TDM通信链网、主从两种类型的芯片来构成芯片组的创新拓扑思想，实现在区域监控一个分区中的最优布局，最简布线和极易扩展。区域每层ˆ分区多个监测点的最优布局如图4，是现有监控分区最点布局中一种最精简的布局，各点构成多重TDM通信链网。每片8点，扩展多片只需每芯片的片间信道直接级联，最大扩展到1024点，128片，非常简便。

3.2.12　主从芯片方式的拓扑技术简述：主芯片和从芯片的门电路结构略有不同，只有主芯片才能做根节点的子节点，才有与根节点上位机进行双工通信的TDM收发模块，主芯处与上位机一套信道双线链接，收发各一链；各芯片均带多片间通信的TDM，每TDM链单线双工，带宽只有主芯片与上位机信道的一半，构成片间多阶TDM网。当传感器数目在一芯片容量以内，则直接用主芯片；扩展多路(如N+8路×3位)，则对主芯片再串行级联上位机的[Nˆ8]个从芯片。直接串联联线。可扩展到最多128片。主从芯片的多重TDM网，实现了轻易扩展、最优布局布线的特点；成本节省；主从芯片结构有别，完全利用门电路资源。。

3.3 动态配置使得新监控系统通用性强

3.3.1　动态配置芯片的接口、动态改变功能流水线结构的测试性能：新的监控系统能适用各区域监控场合；而且即便对原有监控系统的升级，由于芯片能混接各型传感器，所以能保留原已安装的传感器，并混装新的传感器，因此升级变得更简单更低投入。

芯片的接口系统采用动态配置，并动态组合构成流水线的各功能模块在流水线的序列位置；芯片设置8路×3位传感器接口；芯片的接口性能显示芯片能在线配置接口协议，支持I2C、串行、One2Wire、SPI，或任意几路位组合为并行通信，混接各型传感器，每芯片最大可接24路×1位的传感器。芯片动态接口系统的流程如图5。

3.3.2　对各点动态配置各型协议的通信信道来实现动态配置的技术简述：芯片信号引脚为双向IˆO。芯片群运行前，上位机将各路传感器的协议和连接的引脚号在线配置给芯片，接口组合模块动态组合对应的多个引脚构成一路传感器的信号接口，并配置每路接口到一相应通信协议的信道上。每个信道完成一种通信协议的双工通信，共有UART串行，并行(8bit，11bit，12bit，16bit，20bit，24bit)，I²C，SPI，one-wire类型，并且在线更新升级。

3.4　远程高精度

3.4.1　远程通信的测试性能：配套8个UART型监测传感器，以简单的串口通信设备和RS232协议，组成的区域监控实验显示，在校园环境监控区域半径200米，各信道速率吻合设计，芯片稳定工作；更突出的市场优势在于，采用上述简单的通信设备，在所观测的30分钟内收发数据100%准确率，信息没有任何差漏。测试证明编码信道相当高效，芯片可稳定实现数据低成本的高效远程中速多点通信。

3.4.2　多重TDM链网和编码信道实现数据高速高精度通信的技术简述：多重TDM网收发标准的帧，不同传感器信号先在各流水线的各型协议信道中转换为标准帧格式，由各路信道中的双口RAM实现格式转换。为了标准通讯帧高效传输，TDM网中设计两条TDM双工链，分别对应一位中断信号的报警型传感器和给出多位数据信息的数据型传感器。每条TDM双工链由一套片内的多个信号通道、缓存栈，TDM序模块和TDM收发模块，和一套芯片间的TDM级联链组成。链上速率4Mbit/S。多芯片级联扩展群中，从芯片与主芯片间按多阶TDM级联链通信，由主芯片完成芯片群与上位机间的双工通信。远距条件下，在TDM收发模块中在线配置数据的远距编码信道。

3.5　在ACEX1K100的FPGA上配置门电路网表流片成该ASIC(0.18工艺)，哈佛结构，并行实时、SOPC、低功耗成本、保护产权

4 结 论

为着眼解决目前区域监控发展趋势中的一些关键需求，创新的细分复用思想高效针对了区域规模扩大和监测点密度增加所导致的繁琐庞大控制功能要求；测试证明该设计思想保证了区域监控发展趋势所需的高技术性能；精简、模块化、统一的设备体系。

4.2　测试证明芯片性能符合规模扩大的各种要求，市场优势明显

测试显示，芯片组应用方法简明，性能稳定；每路流水线上能通过在线配置得到对该路的个性化要求，具体分析每一路的信息特征，并挖掘出所需的重要信息结论。性价比突出，在市场具有优势地位。以动态配置来适合广泛应用场合；SOPC在线更新；系统可以部分高速或低速动态配置流水线功能，节省资源，以“柔性”门电路适应不同的监控区域。

4.2 对其他领域研究的参考意义

对功能细分复用实质，可以应用到其它领域的研究，并具有同样的优势：简明的功能体系结构，精简统一的设备模式，以架构节点关系为设计重心。各片间、片内信道高频通讯，可为多点通信网提供应用和设计参考；将系统芯片化，简化设备，利于优化电路性能，信价比好，为设备芯片化的研究提供参考；主从式拓扑特征上的设计，也可为多点分布式系统的拓扑布局提供参考。