（电气工程专业论文）基于fpga的远程温度和图像监控系统.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ee c o n o m y ，t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yg e t saq u i c k d e v e l o p m e n kf o rk e e p i n gt h eg o o dm o v e m e n to f t h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，m a n ye q u i p m e n t so f k e y sw a n tt ob es u p e r v i s e d b e c a u s ew h e nm o s tk e ye q u i p m e n t sc i r c u l a t e ，t h ew o r s es p o t e n v i r o n m e n tc a u s ei n c o n v e n i e n c eo f t h es p o tc h e c k i n ga n dm e a s u r e m e n tf o rs t a f f m e m b e r ，l i t t l e p e r s o no ru n m a n n e dp e r s o ns u g g e s t e db ec a r r i e do u t t h el o n gr a n g ee l e c t r i cp o w e rs u p e r v i s i o n s y s t e mc a na c c u r a t e l yk n o wt h ec i r c u m s t a n c eo f e l e c t r i cp o w e rs e c t i o na ta n yt i m e ，a n dd oa r e a c t i o ni nt i m e a tp r e s e n tt h ed e v e l o p m e n to f t h ec o l l e c t i o na n ds u p e r v i s i o ns y s t e mi sg r a d u a l l y t u r n i n gt o w a r dt h en u m e r a l ，s m a l ls i z e ，t h en e t w o r k ，c o m p l e x i o na n dg o o de x p a n d i n gt u r n a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ee m b e d d e dt e c h n i q u e t h eu n i v e r s a l i t yo f t h e e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ma n dl a r g e s c a l ef i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) p r o v i d ean e w d i r e c t i o nf o rt e c h n i q u ed e v e l o p m e n ti nt h es u p e r v i s i o ns y s t e mo f t h el o n gr a n g ee l e c t r i cp o w e r t ob ea b l et oc a l r yo ns u p e r v i s i o ni nt h ep i c t u r ea n dt e m p e r a t u r ec o l l e c t i o na ta n yt i m ea n d o nt i m et ot h ek e ye q u i p m e n t so f t h ep o w e rf a c t o r yo re l e c t r i c i t ys t a t i o n u s i n gf p g aa sc o r e ， t h i sp r o j e c td e s i g nak i n do f t h ee m b e d d e ds u p e r v i s i o ns y s t e mo f p i c t u r ea n dt e m p e r a t u r e c o l l e c t i o nb a s e do nf p g a t h es y s t e md e s i g nc o l l e c t i o nm o d u l eo f p a r a m e t e r sw i t hap i c t u r e s e n s o ra n di n f r a r e dm e a s u r e m e n tm o d u l et oc o l l e c tt h ep i c t u r ea n dt e m p e r a t u r eb yf p g a t e c h n i q u e ，a n ds o f t w a r ei nt h ee m b e d d e dp r o c e s s o r ( t h en i o sl i ) w i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n d e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mo f p c l i n u xa st h ec o r e ，a n ds e n do u tt h ep i c t u r ea n dt h et e m p e r a t u r e d a t at h r o u g hab u st om a i nm a c h i n et op r o v i d ew i t ht h eo b s e r v a t i o na n a l y s i sf o rt h es t a f f m e m b e r t h i sm a k et h es y s t e mn o to n l yt h ef u n c t i o ni sp e r f e c la n da l s oh a v eap h y s i c a lv o l u m es m a l l ，c o s t l o wa d v a n t a g er e l a t i v et ot h et r a d i t i o n a lp i c t u r ec o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do np cm a c h i n e t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e df o l l o w i n gf e wp a r t s ：t h eb a c k g r o u n di n t r o d u c eo f t h et o p i c ；t h e h a r d w a r ed e s i g nn f t h es y s t e m ，i n c l u d i n gf p g a ，e x t e r n a lm e m o r y ，i oi n t e r f a c e ，u s bc a m e r a h e a da n di n f r a r e dm e a s u r e m e n tm o d u l e ；t h ef p g ai n t e r n a lf u n c t i o nm o d u l e ( c p ue t c ) d e s i g n ； t h ea p p l y i n gp r o g r a md e s i g no f t h es y s t e m ，i n c l u d i n gc o l l e c t i o np r o c e d u r eo f t h ep i c t u r ed a t a ，l o n g r a n g ec o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e ，t h ep r o c e d u r eo fi n f r a r e dm e a s u r e m e n tt e m p e r a t u r ea n dt h el c d d i s p l a y i n gp r o c e d u r ee t c t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e da n dv e r i f i e do nt h ee x p e r i m e n tb o a r do f a l t e r a t h ee n dm a d es u m m a r yt 0t h i st o p i c p r o s p e c tf u t u r et r e n do fd e v e l o p m e n t t h ed i f f e r e n c ef o rt h i ss y s t e mw i m s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f o t h e rp i c t u r e sa n d t h et e m p e r a t u r ei st h ed e s i g ns c h e m et h a tt h i ss y s t e mu s e dt ot a k ef p g aa sc o r e s on o to n l ym a k e t h ep e r f o r m a n c ea n dp r i c er a t i oo p t i m i z a t i o n ，a l s ot h es y s t e mh a v eg o o de x p a n d i n g k e y w o r d ：l o n gr a n g em o n i t o r i n gs y s t e m ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，i m a g em o n i t o r i n g ， p i c t u r et e m p e r a t u r ec o l l e c t i o n ，f p g a ，e m b e d d e ds y s t e m ，t h ep r o c e s s o ro fn i o s1 i ，t h eo p e r a t i o n s y s t e mo fg c l i n u x i i 学位论文版权使用授权书 巧0 14 0 0 2 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团 学位论文作者签名舷 2 0 0 6 年目f j 6 日 胳名：电可 2 0 0 6 年g 月f 6 同 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 6 年月 江苏大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 我们国家这几年f 处于国民经济高速发展时期，对电力需求逐年大幅递增， 从而电力工业规模也在迅猛扩大。随着电力工业的不断发展，电力系统自动化水 平的不断提高，各变电站、变电所、通讯站等许多关键的设备要实现少人或无人 监控电力系统，另外需要监控的关键设备也增长很快，这就为电力部门的日常监 控提出新的挑战。电力部门监控网络的全面改造工程已经开始实施，电业局都设 立了运行管理值班室及调度部门，负责对各部门的运行归i s i 协调，现在对运行监 视有些还是由各专业运行部门采用打电话来了解和判断处理故障，不能及时掌握 运行状况和指挥处理运行障碍。这种依靠原始的人工方式己不能满足电力监控系 统的发展需要，而且一旦这些关键设备如果出现故障不能及时处理，情况恶化快， 易形成事故，不但会造成巨大的经济损失，甚至会破坏正常的工业生产和人们的 生活。要跟上网络发展步伐，必须在健全和完善电力网络的同时建立新型电力监 控系统。远程电力监控系统是在各变电所、变电站现场建立视频、音频，温度 等数据采集单元，在监控中心能够对各变电站、变电所的有关数据、图像进行监 控和监视，以便能够实时、准确、直接地了解和掌握各个变电站、变电所的情况， 并及时对发生的情况做出反应，并能够对有关数据进行存储，分析，为以后的决 策和改进提供有力的支持，以适应现代化的发展需要。本课题计划研究设计一种 基于f p g a 的嵌入式图像与温度采集监控系统，并将主要用于电站等各重要设备 设施的监控。该系统跟其他类似的系统相比有以下优势；1 电力设备的故障有 多种多样，但大多数都伴有发热或变形的现象。所以本系统可以对电站或者电厂 的一些关键设备进行定时或者实时图像以及温度采集监控，温度采集采用红外方 式，消除人为采集方式的危险性。图像采集使用图像传感器，采集的数据量小便 于存储和处理。2 由于本系统内建操作系统，资源丰富，可以进行有效的功能 扩展，通过升级软件，增加相应的功能模块，可以升级为功能更有效、更强大的 系统。3 由于本系统丰富的系统资源，可以和其他系统相联网构成更复杂的综 合性监控系统。4 由于电力部门是国民经济中的支柱部门，是社会生产、生活 江苏大学工程硕士学位论文 的命脉，电力设备的安全又是保障其正常运行的必要条件。因此，结合本系统构 成的电网，电站综合监控系统，对于整个社会具有巨大的实用价值和经济价值。 而且本系统在石油化工行业设备检测及对人体有害的危险环境监控，冶金系统恶 劣环境下生产流程、高温炉及其它类似监控场合也有巨大的应用空间。 1 2 课题背景 1 2 1 国内外图像监控温度测量系统发展现状及发展趋势“ 1 ，在2 0 世纪9 0 年代初以前，对图像监控主要是以模拟图像为主的监控系 统，称为第一代图像监控系统，即模拟图像监控系统。其自身的局限性，主要有： i 通常只适合于小范围的监控，若采用同轴电缆，传输距离大于1 0 0 0 米时，信 号容易产生衰变、畸变、群延，并容易受到干扰。i i 布线工程大，系统扩展能 力差。i 模拟图像监控系统大多采用录像机作为存储工具，磁带作为存储介质， 这种方法不仅记录信息量有限，数据的存储会耗费大量的存储介质。这个时期对 于关键设备的温度监控应用也非常少。 2 2 0 世纪9 0 年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频图像技术的发 展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行图像的采集和处理，从而大大提高 了图像监控质量，增加了视频监控的功能。这种基于多媒体计算机的系统称为第 二代图像监控系统，即模拟输入与数字压缩、显示和控制系统。这类图像采集监 控系统费用昂贵，系统复杂，性价比不高。同时对电站或电厂的关键设备温度的 测量采用温度传感器或者热像仪等，或者采用人工方式。 3 到了2 0 世纪9 0 年代末，特别是近两三年，随着计算机处理能力提高， 嵌入式器件的迅速发展，以及各种实用图像信息处理技术的出现，图像监控进入 了全数字化时代，称为第三代图像监控系统。第三代监控系统以网络为依托，以 数字图像的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用图像分析为特色，引发 了图像监控行业的技术革命。而对关键设备的温度监控也越来越受到重视，国内 外有些厂家已经生产出专门用于电力系统监控的红外产品。目前在国内外以 d s p 、f p g a 、c p l d 、单片机等为核心的嵌入式监控发展很快，系统在向微型化、 低成本、网络化和综合化方向发展。 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 2 现场可编程器件在嵌入式电网监控系统中的运用 本世纪初以来，嵌入式操作系统和大规模现场可编程器件f p g a 的普及为电 网电能监测技术发展提供了新的方向。在高速数字系统中，由于信号频率的增加 导致p c b 连线呈现传输线特性，从而影响到信号的完整性。线路间的串扰、芯 片间的连接拓扑、芯片的引脚分布和封装形式、p c b 的几何特性及介电特性、 过孔及电压参考平面等均会严重影响高速信号的完整性。f p g a 可实现绝大部分 数字电路设计，将所需的功能直接整合在f p g a 的设计中，因此可大大减小处理 器外围扩展电路数目，降低外围电路和布局走线复杂度，减少影响高速信号完整 性的因素，提高系统的抗干扰能力。而且利用f p g a 的可编程特性，根据不同用 户的需求方便地添加各种模块，硬件扩展和升级都非常方便。 嵌入式操作系统屏蔽了同底层硬件相关的特性和代码，在系统应用软件和硬 件之间提供抽象的接口和接口函数，为用户提供了一个统一的平台，使得用户在 软件开发时无需考虑硬件的具体细节，从而提高了软件的可移植性。应用程序也 可以脱离操作系统直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务、充分利用系 统资源，必须使用操作系统，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少 软件开发时间。 1 , 3 本文研究的主要内容 通过前文对目前监控系统以及电力系统现状的分析，而且因为目前国内外市 场上还没有找到采用f p g a 为核心的图像监控与红外温度测量的综合监控系统， 所以本课题将采用流行的f p g a 技术进行参数采集处理模块设计，并采用目前计 算机领域最为活跃的嵌入式系统技术，以高性能软核嵌入式处理器0 1 ( n i o si i ) 和 嵌入式p c l i n u x 操作系统为核心进行软件设计来实现市场这一需求。本文研究的 系统实现了系统的性价比最优化，高度集成化，微型化，良好的扩展性，顺应电 站、电厂或其他类似需要监控场所发展的需要，所以在现实中有极大的推广和发 展前景。 本文主要研究内容如下： 1 系统硬件构成，在现场可编程芯片( f p g a ) 上构建片上可编程系统( s o p c ) 。 2 基于n i o si i 的嵌入式系统设计。 江苏大学工程硕士学位论文 3 系统软件设计，移植嵌入式操作系统g c l i n u x ，构建嵌入式开发平台，完 成整个系统的仿真、调试。 江苏大学工程硕士学位论文 2 1 概述 第2 章实验系统硬件组成 基于f p g a 嵌入式温度测量及图像监控系统如图2 1 所示。安装在现场的数 字图像传感器和红外测温模块获得现场关键设备的图像信号和温度，然后分别通 过u s b 接口和s p i 接口实时，定时传送到f p g a 中，经过f p g a 处理后通过串行 4 8 5 总线送到监控终端的p c 机上实时监控。 l 图像传感器l u s b 总线 r s 4 8 5 总线 p c 机 f p g a i 红外传感器l 堑盟- - i 存储器 图2 - 1系统总体框图 本系统采用了a l t e r a 的c y c l o n e 开发套件，由c y c l o n ef p g a 和其他外设所 构成。在f p g a 内部嵌入了n i o si i 软处理器核心，作为整个系统的控制。在开 发板上还有1 6 m 的c f 卡，网络控制芯片。温度和图象采集用的是s p i 接口的红 外测温传感器和u s b 接口的数字摄像头，其中u s b 接口自行设计完成。整个系 统硬件设计框图如图2 2 所示。 图2 - 2 硬件结构图 江苏大学工程硕士学位论文 2 2s o p c 开发系统简介1 4 。5 l c y c l o n e 系列f p g a 是基于成本优化的，全铜工艺的1 5 vs r a m ( 静态r a m ) ， 最高达2 0 0 6 0 个逻辑单元。除此之外，c y c l o n e 系列的f p g a 还集成了许多复杂 的功能。c y c l o n e 系列f p g a 提供了全功能的锁相环( p l l ) ，用于板级的时钟网 络管理和专用i o 接口，这些接口用于连接业界标准的外部存储器器件。 2 2 1 开发板简介 n i o s 开发板为开发嵌入式系统提供硬件平台，本实验使用的是c y c l o n e 版的 n i o s 开发板，实物图如图2 3 所示【6 1 。n i o s 开发板用3 2 位n i o s 处理器参考设计 进行预配置，该开发板有c y c l o n e 器件专用的串行配置器件( e p c s 4 ) 及其j t a g 插座，板上的e p l c 2 0 f 4 0 0 c 7 器件具有2 6 0 6 0 个逻辑单元( l e ) 和2 9 4 k b 片内存 储器。 图2 - 3开发板实物图 默认参考设计提供从主计算机向开发板下载新的用户定义硬件和软件配置 数据的功能。下载可以使用串行电缆、j t a g 电缆或以太网电缆。监控程序通过 r s 2 3 2 串行口( j 1 9 ) 进行控制，网络服务器程序通过以太网接口运行。以太网端 1 3 提供快速和容易的通过主计算机浏览器向开发板下载硬件和软件配置数据的 方法。 n i o s 开发板的方框图如图2 - 4 所示。 江苏大学工程硕士学位论文 5 昕稳压器b h j 址娜 _ _ _ 一串棚e 鸯器件l j t a g 插座l 望叫3 3 + 一一配匐空常幡l i v l i c t 。r 插座k 叶 掣 c a r - n p a df l a s h 叫 f p g a 脯插座il + 屿 c y c l o n e 口l c 2 0 扩展插座2 l 一t - j 蜘开关f 4 1l l _ + z - l 发光二极管8 1i s 潴l 抄 叫双7 段显示器f 、一。l 图2 - 4n i o s 开发板方框图 当开发板加电时，开发板上的配置逻辑使用保存在f l a s h 中的硬件配置数据 配置c y c l o n e ，器件配置完成后c y c l o n e 中的n i o s 处理器开始工作，执行f l a s h 中的启动程序代码。 2 2 2 开发板组件性能 1 c y c l o n ee p l c 2 0 器件 c y c l o n e 开发板上的u 6 0 是4 0 0 针的f p g a 封装c y c l o n ee p l c 2 0 f 4 0 0 c 7 器 件，特性如表2 1 所示。 表2 - 1 c y c l o n ee p l c 2 0 器件特性 特性 c y c l o n ee p tc 2 0 逻辑( l e ) 单元数 2 6 0 6 0 m 4 kr a m 块数( 1 2 8 x 3 6 位) 6 4 总r a m 位数 2 9 4 9 1 2 锁相环( p l l ) 数 2 最大用户i o 引脚数 3 0 1 c y c l o n e 丌发板提供以下三种方法配置c y c l o n e 器件： ( 1 ) 使用运行在主计算机上的q u a r t u s l i 软件，通过连接到c y c l o n ej t a g 插 江苏大学工程硕士学位论文 座的a l t e r a 下载电缆直接配置c y c l o n e 器件。 ( 2 ) 通过配置控制器件e p m 7 1 2 8 a e 用存储在f l a s h 中的硬件配置数据配置 c y c l o n e 器件。 ( 3 ) 使用主动配置器件e p c s 4 配置c y c l o n e 器件。 2 f l a s h 存储器件 开发板连接到f p g a 器件的8 m bf l a s h 存储器件a m 2 9 l v 0 6 5 d ，它用于两 个目的： ( 1 ) 在f p g a 器件上实现的n i o s 嵌入式处理器可以使用f l a s h 存储器作为通 用只读存储器和非易失性存储器。 ( 2 ) f l a s h 存储器可以保存f p g a 配置数据，配置数据在加电时通过配置控制 器装入f p g a 器件。 8 m b 的f l a s h 存储器被分成1 2 8 个可独立擦除的6 4 k 段，用户可以安全地 使用存储器前半部分的4 m b ，不会妨碍f p g a 配置数据或网络服务程序，后面 的4 m b 用于配置控制器或网络服务器。 n i o s 参考设计的硬件配置数据预存在f l a s h 存储器中( 0 x 7 0 0 0 0 0 0 x 7 a f f f f ) ， 参考的硬件配置数据装入后，其中的监控程序可将文件( 新的f p g a 配置数据或 n i o s 嵌入式处理软件) 下载到f l a s h 存储器，n i o s 嵌入式处理器软件包括擦写 f l a s h 存储器的程序。 3 双s r a m 器件 开发板上带有两个2 5 6 k x l 6 位的异步s r a m 器件i d t 7 1 v 4 1 6 s ，它们和 f p g a 器件相连作为n i o s 嵌入式处理器的通用存储器使用，两个1 6 位器件可以 构成3 2 位存储器，预装的n i o s 参考设计把s r a m 器件作为连续的2 5 6 k x 3 2 位 零等待主存储器。 s r a m 与f l a s h 存储器和以太网器件共用地址和数据总线。 4 s d r a m 器件 开发板上的s d r a m 器件是带p c i 0 0 功能和自刷新方式的 m t 4 8 l c 4 m 3 2 8 2 ，s d r a m 器件与f p g a 器件相连，包含在n i o s 开发套件中的 s d r a m 控制器允许n i o s 处理器将s d r a m 器件作为大容量的线性可寻址存储 器使用。 江苏大学工程硕士学位论丈 5 c o m p a c tf l a s h ( c f ) 插座 在开发板背面的c o m p a c tf l a s h ( c f ) 插座允许硬件设计存取c o m p a c t f l a s h ( c f ) 卡。 c o m p a c tf l a s h ( c f ) 插座支持两种存取方式：a t a ( 热交换方式) 和i d e ( i d e 硬盘方式) 。 i d e 连接方式包括控制c o m p a c tf l a s h ( c f ) 卡电源的m o s f e t ( m o s 场效应 晶体管) ，m o s f e t 通过f p g a 器件的i o 引脚进行控制。 c o m p a c tf l a s h ( o f ) 插座与扩展插座p r o t 0 1 共用一部分f p g a 的i o 引脚。 6 以太网器件 开发板上使用的以太网器件是实现1 0 m b p s 和1 0 0 m b p s 协议的混合信号模拟 数字器件l a n 9 1 c 1 l l ，其控制引脚与f p g a 器件相连，以便n i o s 系统通过r j 4 5 插座访问以太网，n i o s 开发软件包括n i o s 处理器系统和l a n 9 1 c 11 1 以太网器 件通信的硬件和软件组件。 以太网器件与f l a s h 存储器和s r a m 共用地址和数据总线。 7 r s 2 3 2 串行口插座 开发板上自带两个标准的9 针串行口插座，用连接到串行口的标准9 针串行 电缆实现与主计算机的串行通信。在串行口插座和f p g a 器件之间用电平转换电 路( u 5 2 和u 5 8 ) 进行电平转换，因为f p g a 器件不能直接连接到r s 2 3 2 电平。 n i o s 开发板提供两个串行口插座；一个标记为c o n s o l e ( 控制台) ，另一个标 记为d e b u g ( 调试) 。许多处理器系统在试验和调试阶段使用多个u a r t 通信通道， 两个串行口插座用相同的方式连接到f p g a ，n i o s 处理器系统可以将任何一个串 行口用于任何目的，不受标记的限制。 两个f p g a 逻辑端口能够传送所有的r s 2 3 2 信号，设计时可以只使用需要 的信号。例如r x d ( 接收数据) 和t x d ( 发送数据) 。当发送或接收数据时，连接到 r x d 和t x d 信号的发光二极管给出相应的指示。 8 扩展插座( p r o t 0 1 和p r o t 0 2 ) j 1 1 、j 1 2 和j 1 3 插座一起构成用于连接特殊的功能子卡的标准插座p r o t 0 1 ， j 1 5 、j 1 6 和j 1 7 插座一起构成第二个用于连接特殊功能子卡的标准插座p r o t 0 2 。 p r o t 0 1 与c o m p a c t f l a s h 插座共用一部分f p g a 的i o 引脚。 江苏大学工程硕士学位论文 9 ，m i c t o r 插座 m i c t o r 插座j 2 5 用作调试端口，通过m i c t o r 屏蔽电缆传送多达2 7 个高速低 噪音i o 信号，其中2 5 个用作数据，两个用作时钟输入输出。 j 2 5 的大多数引脚连接到f p g a 器件( u 5 3 或u 6 0 ) 的i o 引脚上，其中5 个直接连接到f p g a 器件的j t a g 引脚和j t a g 插座( j 2 4 ) ，j t a g 信号有特殊 的使用要求，j 2 4 和j 2 5 不能同时使用。 l o 按钮开关 s w o s w 3 是4 个按钮开关，每个开关上拉电阻连接到f p g a 的通用i 0 引脚，当开关按下时f p g a 引脚输入低电平。 1 1 ，发光二极管 d 0 d 7 是连接到f p g a 器件通用i o 引脚的独立发光二极管，当f p g a 引 脚输出高电平时对应的发光二极管亮。 1 2 双7 段发光二极管显示器 u 8 和u 9 是连接到f p g a 器件的7 段发光二极管显示器，每一段通过f p g a 通用i o 引脚分别控制，当f p g a 引脚输出低电平使对应的发光二极管亮。 预装的n i o s 参考设计包含并行输入，输出( p i o ) 寄存器和用于驱动显示器的 逻辑电路。 1 3 串行配置器件 串行配置器件e p c s 4 是具有串行接口的f l a s h 存储器件，可以存储c y c l o n e 器件的配置数据并在上电或重新配置时将配置数据重新装入到c y c o l n e 器件。 利用c y c o l n e 器件新的数据解压缩特性，设计者可以使用较小的串行配置器 件配置大的c y c l o n e 。串行配置器件不能级联。 s o p cb u i l d e r 主动串行存储器接口组件允许微存储器系统访问串行配置存 储器。 1 4 串行f l a s h 插座 串行f l a s h 插座用于连接串行配置器件。 硬件设计者在使用n i o s 开发套件的参考设计时不需要串行f l a s h 插座，参考 设计允许设计者不使用f l a s h 插座从串行配置器件中存取数据。 使用串行f l a s h 插座连接串行配置器件时必须使用b y t e b l a s t e ri i 下载电缆。 江苏大学工程硕士学位论文 1 5 配置控制器件 配置控制器a l t e r ae p m 7 1 2 8 a e 器件，它是预编程用于管理开发板的复位和 用存储在f l a s h 存储器中的数据配置f p g a 器件。 ( 1 ) 复位 e p m 7 1 2 8 a e 从电源检测，复位发生器l t l 3 2 6 取得加电复位脉冲，并通过内 部逻辑把加电复位脉冲分配到开发板的其他复位引脚，包括：l a n 9 1 c 1 1 1 ( 以 太网器件) 复位、f l a s h 存储器复位和扩展插座( p r o t 0 1 和p r o t 0 2 ) 复位。 ( 2 ) 开始配置 有下列四种方法开始配置： 开发板加电。 单击r e s e t c o n f i g ( 复位配置) 按钮s w l 0 。 在e p m 7 1 2 8 a e 的r c c o n f i g r e q _ n 输入引脚输入低电平( 来自c y c l o n e ) 。 单击s a f ec o n ：f i g ( 安全配置) 按钮s w 9 。 ( 3 ) 用f l a s h 存储器配置c y c l o n e 在上电或复位时，配置控制器读取f l a s h 存储器的数据并给出配置c y c l o n e 必要的控制信号，c y c l o n e 器件使用快速被动并行方式进行配置。 n i o s 开发套件包含原始的配置控制器编程文件c o n f i g _ c o n t r o l l e r p o f ，如果 e p m 7 1 2 8 a e 器件的逻辑被改变，可以用这个编程文件恢复工厂配置，这个编程 程序文件位于e x a m p l e s 目录的e p m 7 1 2 8 一f l a s h _ c o n f i g _ c o n t r o l l e r 文件夹。 ( 4 ) 配置数据 q u a r t u si i 软件可以有选择地生成h e x o u t 配置文件，它作为配置数据适用于 直接下载并存储在f l a s h 存储器。 新的h e x o u t 文件可以通过执行n i o s 嵌入式处理器软件保存在f l a s h 存储器， n i o s 预装参考设计包含将h e x o u t 文件从主机下载到f l a s h 存储器的功能。 配置控制器可以管理保存在f l a s h 存储器的两个独立的c y c l o n e 器件配置， 这两个配置通常称为用户配置和安全配置。 复位时配置控制器首先用用户配置数据配置c y c l o n e 器件，如果配置失败( 用 户配置无效或不存在) ，配置控制器再用安全配置数据配置c y c l o n e 器件。 配置控制器要求用户配置数据和安全配置数据存储在f l a s h 存储器的固定位 江苏大学工程硕士学位论文 置。n i o s 参考设计预装在f l a s h 存储器的安全配置区。 如果单击安全配置按钮s w 9 ，配置控制器忽略用户配置，直接用安全配置 数据配置c y c l o n e 器件。 当f p g a 配置成功时配置控制器停止读取数据，安全范例设计开始从地址 0 x 7 8 0 0 0 0 执行程序代码，f l a s h 存储器的这个区域存放着网络服务程序。 ( 5 ) 配置状态指示灯 m a x 器件连接有四个状态指示灯，用于显示开发板的的配置状态，如表2 2 所示。 表2 - 2 配置状态指示灯 指示灯名称绿色说明 l e d 3 l o a d i n g 绿色 装载配置数据时绿色装载( l o a d i n g ) 指示灯闪烁 l e d 4 e r r o r红色 装载配置数据出错时红色错误( e r r o r ) 指示灯亮 l e d lu s e t绿色 使用用户配置数据时绿色用户( u s e r ) 指示灯亮 l e d 2 s a f e黄色使用安全配置数据时黄色安全( s a f e ) 指示灯亮 用户可以通过观察状态指示确定开发板加电时的配置。如果新的配置通过 j t a g 下载到c y c l o n e 器件，所有的状态指示灯灭。 ( 6 ) 配置和复位按钮 n i o s 开发板上的按钮s w 8 、s w 9 和s w l 0 具有下列固定功能。 s w 8 ：c p ur e s e t ( c p u 复位) 单击按钮s w 8 时低电平信号送入c y c l o n e 器件的d e v c l r n 引脚，结果取 决于c y c l o n e 器件的当前配置。 预装的n i o s 参考设计将s w 8 作为c p u 复位按钮，单击按钮s w 8 时n i o s c p u 复位并从复位地址开始执行程序代码。 s w 9 ：s a f ec o n f i g ( 安全配置) 单击按钮s w 9 时配置控制器用安全配置数据重新配置c y c l o n e 。 s w l 0 ：r e s e tc o n f i g ( 复位配置) 单击按钮s w l 0 时低电平信号送入加电复位控制器( u 1 8 ) 。配置控制器用 f l a s h 存储器中的配置数据配置c y c l o n e 器件。 1 6 电源电路 江苏大学工程硕士学位论文 n i o s 开发板使用9 v 未稳压、中心为负极的输入电源，板上电源电路产生5 v 、 3 3 v 和1 ，5 v 稳压电源。 5 v 电源连接到j 1 2 和j 1 5 的引脚2 ，用于插在p r o t 0 1 或p r o t 0 2 扩展插 座上的任何器件。 3 3 v 电源用作所有c y c l o n e 器件i o 引脚的电源v c c i o ，也用于p r o t 0 1 和 p r o t 0 2 子卡。 1 5 v 电源只用作c y c l o n e 器件核心的电源v c c i n t ，不用于任何插座。 1 7 时钟电路 n i o s 开发板包含5 0 m h z 自激振荡器和零偏移点到点时钟分配网络，零偏移 缓冲器分配5 0 m h z 时钟和c y c l o n e 器件内部锁相环时钟输出( p l d _ c l k o u t ) ， 时钟分配网络驱动c y c l o n e 器件、扩展插座上的引脚、配置控制器件和m i c t o r 插座。 5 0 m h z 自激振荡器插座( y 2 ) 提供基本的工作频率，时钟缓冲器( u 2 ) 将零偏 移时钟信号送到开发板的不同点。c y c l o n e 器件能够使用片内锁相环综合处理新 的内部时钟信号，并将时钟信号输出到i op l l 5o u t o _ p 引脚分配到开发板的 不同位置。 用户可以更换5 0 m h z 振荡器( y 2 ) ，然而配置控制器电路和其他的a l t e r a 参 考设计不能保证在其他频率时工作正常。当设计一个系统时，适应新的时钟振荡 器是用户的任务。 1 8 j t a g 连接 n i o s 开发板有两个兼容b y t e b l a s t e r m v 、b y t e b l a s t e ri i 和m a s t e r b l a s t e r 下载 电缆的1 0 针j t a g 插座( j 5 和j 2 4 ) ，每个j t a g 插座连接一个a l t e r a 器件并形成 单器件j t a g 链，j 2 4 连接c y c l o n e 器件( u 5 3 ) ，j 5 连接m a ! p m 7 1 2 8 a e 器件。 ( 1 ) c y c l o n e 器件的j t a g 插座( j 2 4 ) j 2 4 连接c y c l o n e 器件的j t a g 引脚( t c k 、t d i 、t d o 、t m s 和t r s t ) ， q u a r t u s i i 软件可以通过b y t e b l a s t e r i i 下载电缆用新的硬件映像直接配置c y c l o n e 器件，n i o s 嵌入式处理器调试程序也可以通过连接到j 2 4 插座的下载电缆访问 n i o s 片内调试模块( o c i ) 。 c y c l o n e 器件的j t a g 引脚也可以通过m i c t o r 插座( j 2 5 ) 访问，j 2 4 的引脚直 江苏大学工程硕士学位论文 接连接到j 2 5 的引脚上。 ( 2 ) m a x 器件j t a g 插座( j 5 ) j 5 连接m a x 器件的j t a g 引脚( t c k 、t d i 、t d o 、t m s 和t r s t ) ，q u a r t u s i i 软件可以通过b y t e b l a s t e ri i 或m a s t e r b l a s t e r 下载电缆用新的硬件配置完成 m a x 器件的在系统编程( i s p ) 。 2 3 红外测温模块介绍 红外测温模块解决了传统测温中需接触的 问题，利用红外原理非接触测量，并且具备回应 速度快、测量精度高、测量范围广和可同时测量 环境温度和目标温度的特点。红外测温模块使用 的红外传感器实物图如图2 5 所示。图2 - 5 红外传感器实物图 2 3 1 红外测温原理i 。8 1 物体辐射的强度与温度之问存在着密切的关系。当某人观察一个正在发射相 当数量的辐射的对象时，那个对象必定是在辐射轻微的光芒或者是可看见的辐射 光。这种现象叫做白热。一条电灯泡的细灯丝、闷燃的炭烬和“炽热”的钢丝就是 所有这一类现象中的一个明显例子。当对象的温度升高时，它的颜色和亮度将随 着温度的升高而增强和增加。 由此可知，所有物体都会发出红外线能量，并且物体越热，其分子就愈加 活跃，它所发出的红外线能量也就越多，从而辐射能也越多，而这个辐射能的强 度反映了对象物体的温度，所以通过测量红外线的辐射强度，从而计算出被测对 象的温度。 红外测温仪接收多种物体自身发射出的不可见红外能量。能够在没有与