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基于FPGA的通信管理机设计 1.前言 通信管理机是电力自动化系统中的重要设备。通信管理机是通信网与监测设备之间的接 口设备，承担规约转换和接口匹配、数据汇总项任务。在电力自动化进程中采用的新技术必须成熟与完善。作为电力自动化系统中通信链路的核心，电力通信管理机一般采用传统的单片机或工控机设计。随着新型嵌入式系统在工控领域的不断发展与大量应用，其优势受到广泛认可，技术也逐步成熟与稳定。采用嵌入式系统设计电力通信管理机。 2.通信管理机现状 随着嵌入式计算机技术的发展，基于ARM和PowerPc处理器的通信管理机流行起来，基本框架是用一个嵌入式的处理器，本身自带1到3个以太网不等，同时还利用MAC芯片和16c554等芯片扩展以太网及串口等。这样做的优点是硬件设计比较方便，容易调试，缺点也是明显的，扩展的外围芯片比较多，比如一般管理机可能需要16路串口，那么就需要4片16c554芯片，这些芯片比较占地方而且总线共用，几乎走遍了整个电路板，抗干扰能力不强，同时因为总线共用传输效率低下经常通途而且处理器外部总线本身速度也不会很快，因此这种方法只适合比较少的接口。 但是另外一种控制器FPGA技术的兴起解决了之前的缺点，FPGA也叫现场可编程门阵列，具体介绍不在这里叙述，总之通过编程技术可以实现几乎所有数字电路的功能，这样可以把之前扩展接口的数字芯片比如串口，以太网等利用一片FPGA实现，这样做的优点有几个，一是减少的芯片数量，这样成本会低一些，二是提高了可靠性，三是更加灵活，主要体现在接口的数量和种类都是可编程实现的，还有一个好处就是可以自定义一些接口或者对传统接口改进，比如普通UART的波特率一般9600,115200等几个有限的档位，最高也到不了1M，但是用FPGA实现就可以，如果考虑抗干扰的话可以考虑光纤接口等等，笔者早期开发的通讯管理机产品就是基于这个思路，见下图 侧面图 和使用外围芯片扩展的方法相比，此种方法节约部分成本，但是性能提升不是特别大。 3.基于FPGA技术的通信管理机再进化 技术总在进步，尤其是芯片的工艺和制造设计水平，早些年就兴起了在FPGA芯片中增加处理器的做法，比如Altera提出的Nios软核，然后随着ARM技术的爆发增长，终于出现了在FPGA芯片中集成ARM处理器，笔者本文就是主要说的Altera的CYCLONE V系列的芯片，其内部集成了Cortex A9双核处理器，800M主频，启动时linux内核测试性能达到3214 MIPS，足以秒杀工控领域常见的一些ARM处理器，比如TI的AM3352B等，更重要的是还有几万门的FPGA资源可以使用，可以用这些资源搭建所有你想要的标准的非标准的接口，更难得的是FPGA与CPU交互数据速度极快，以G为单位，内部有32bit总线和128bit总线。 正式因为这样，利用这种FPGA扩展的以太网都是千兆级别的，下图是笔者开发的基于这种SOC技术的通讯管理机。 通讯管理机同样采取核心板+底板的结构，不同的是处理器采用Altera公司的5CSXC6，内部集成了双核Cortex A9，处理器主频800M，可以达到3214 MIPS，DDR3内存为1G Byte，4G Byte NAND Flash ，FPGA逻辑资源达41,509 通过FPGA扩展总共有6个1000M/100M/10M以太网，8个RS232串口，1个USB接口。它可以用在别处，比如录播，数据采集，仿真等领域。 4.总结 综合上述的介绍可以得出以下结论 从上表可以看到基于SOC的方案成本要高一些，这主要是因为目前这种FPGA芯片价格要高一些，但是以性能而言是最高的，尤其是自定义接口这方面的优势是别的方法不具备的，还有些特定应用，比如高速AD之类的扩展也是具有独有的优势，因此可以看出这种方法主要应用在要求性能，成本考虑其次的场合。 5.笔者公司情况的一些介绍 北京松树科技有限公司成立于2015年，公司经营范围主要是嵌入式产品的开发与技术转让，主要产品多是基于FPGA的标准6U及4U和非标准的板卡。 公司目前处于起步阶段，对自己的定位是“服务型科技公司”，具体的含义是面向其它中小型科技公司，为其提供嵌入式硬件和底层软件等设计，调试，培训等智力服务并与其一同成长达到互惠互利。比如科研院所，大学机构通常偏向于系统集成，应用算法研究等，在嵌入式开发方面有一些先天的不足，还有一些偏向市场和应用的中小企业产品线比较少同时还得投入不少的研发经费维持整个开发团队的运行，无疑增加了公司的成本，而且由于研发产品数量比较少没有达到一定规模致使研发团队人员上升空间有限而导致人员流动，反而对产品技术的延续不利，本公司就是面向有这些问题困扰的客户，只需要向我们提出需求和要求，我们来提供设计方案，客户评估认可后进行设计研发，在这个过程中根据情况作出适当调整，达到设计目标后交付用户使用，在使用过程中出现任何问题则双方共同查找问题并解决，我们还可提前约定提供后续的升级服务，如果用户有研发团队还可以进行技术转让此后由用户自己维护，如果用户无法接手还可以提供培训支持。 公司研发人员长期从事特高压直流阀控系统及相关辅助设备产品的研发调试，积累了这方面大量的经验，这类系统有一些通用的特点就是：高可靠性，控制对象数量多，大量数据的分发与汇集处理。同时此类产品多用在工程项目上，技术需求会有所变化，各种实验项目繁杂，经常会导致研发周期比较长，因此需要研发人员长期与用户交流和辅助，在这个方面本公司人员得到了用户的好评，同时在长期的合作过程中相互学习做到了共同进步。 核心技术优势 *本公司设计人员熟悉嵌入式产品设计的各个环节和领域，每个人员都是身兼数职，从原理图PCB图设计到软件编写调试，从DSP到ARM，FPGA都能轻松应对，优势在于减少了团队人员间的沟通环节，减少了互相协调的工作，提高了效率，不利的因素在于人的精力有限，当设计的系统比较复杂时工作量比较大这个时候就捉襟见肘，但是只要认真选择项目产品，合理安排可以避免类似问题。 * 在以往研发的产品类型中大多都有FPGA器件，一般是DSP+FPGA或者ARM+FPGA，PowerPc+FPGA等等，主要原因是目前单纯的处理器或者FPGA的产品集成度相对要小一些，很多公司都可以做，尤其是单纯的基于处理器的嵌入式产品，但是二者结合后对研发人员的能力要求比较高，同时也需要磨合良好的团队，因此结合了二者的产品门槛相对要高一些，竞争要少一些，利润也会高一些。 * 公司研发人员学习控制出身，对于涉及一些控制算法的需求也能很好的领会，可以和用户一起把理论算法在嵌入式处理器和FPGA上实现。 * 高可靠性、高可用性的设计能力。公司长期从事特高压产品的研发，积累了很多电磁兼容方面的经验，这些经验可以转化为实实在在的产品可靠性。 联系方式 手机：13426348289 QQ：270935412 | 
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