专利名称：一种远程实验室控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种远程实验室控制器，属于信息技术领域中远程实验室控制平台。
背景技术：
随着云计算的深入以及目前实验室硬件设备价格的攀升，云实验室也成为一种需求。用户不需亲临实验室，在远程即可访问实验室内开发板以及实验设备，并通过摄像头观看实验结果。云实验室中一个重要的设备是对实验室中已有设备、开发板的远程管理控制硬件平台，该平台可获取设备的状态信息，通过控制电源管理板完成对设备、开发板的上电/断电；通过摄像头向远程客户提供实验室现场情况，便于用户进行控制。
目前远程实验室控制平台，一般采用基于X86架构的服务器平台，为用户提供远程访问服务。图像采集部分一般采用外置图像采集卡，完成视频图像的采集，而视频图像的处理和压缩传输均由服务器端处理器完成，这样既增加了服务器的负担，降低了性能，又增加了系统的成本。同时因为网络带宽的差异，视频经常会有延时发生，不能实时观看现场实验的结果。同时目前基于X86的服务器平台一般只提供1-2个串口接口，因此往往需要额外购买串口集线盒(Hub)，实现对多个开发板的访问控制，但可扩展的串口的数量也是固定的。并且有些特殊接口往往需要定制转接板，系统的局限性很大。
发明内容
发明目的针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种体积小、低成本、低功耗、配置灵活远程实验室控制器，其在单芯片内即可完成对实验室中已有设备、开发板的远程管理控制工作，该控制器可获取实验室设备或开发板的状态信息，通过控制电源管理板完成对设备或开发板的上电/断电；通过摄像头向远程客户提供实验室现场情况，便于用户进行控制。技术方案一种远程实验室控制器，其连接到实验室内的开发板或仪器设备，用于远程控制所述开发板或仪器设备，并可远程观看实验现场视频，该控制器包括控制管理模块、视频图像处理模块、多用途接口模块、电源管理模块；
所述控制管理模块通过双核处理器实现，双核处理器包括第一处理器和第二处理器，其中所述第一处理器运行控制器所要求的操作系统，通过第一通用网络接口完成与远程用户的信息交互并获取网络带宽信息，所述第二处理器运行相应的控制管理规则，其脱离所述操作系统独立运行，通过第二通用网络接口与实验室内的部分开发板或仪器设备连接，完成对所述部分开发板或仪器设备的控制管理，通过AXI Interconnect互联矩阵对所述视频图像处理模块、多用途接口模块、电源管理模块进行访问，并从第一处理器中获取实时网络带宽信息；其中第一通用网络接口、第二通用网络接口均为双核处理器的片内外设；所述视频图像处理模块通过与其相连的多个摄像头采集实验室内的高清图像，并在所述视频图像处理模块中完成视频的拼接和缩放，将拼接和缩放后的视频图像通过AXIInterconnect互联矩阵提供给控制管理模块中的第二处理器，再由所述第二处理器送至第一处理器，并通过第一通用网络接口传送到远程用户；所述多用途接口模块，提供可与实验室内的另一部分开发板或仪器设备连接的接口 ；电源管理模块，根据远程用户的指令对各个开发板或实验室设备的电源开关进行操作；视频图像处理模块、多用途接口模块、电源管理模块，均由现场可编程门阵列(FPGA)实现；双核处理器、AXI Interconnect互联矩阵、现场可编程门阵列(FPGA)均在单一芯片内实现。所述视频处理模块可完成视频图像的预处理，其包括多个摄像头视频图像的拼接，图像的放大缩小，并可根据用户带宽的情况重配置压缩算法模块，以确保图像传输的实时性。所述多用途接口模块不仅提供多个串口、RS485、JTAG等通用接口，也可根据实验室设备情况，增加或减少这些通用接口，并可增加相应专用接口，增加了系统的灵活性。所述电源管理模块与温度、电流、电压传感器连接，将各传感器检测到的各开发板 或仪器设备的温度、电流、电压值交由第二处理器判断所监控的所述开发板或仪器设备是否处于过载或短路的状态，如所述开发板或仪器设备处于过载或短路，及时切断其电源。有益效果在单芯片中实现的控制器其功耗一般不超过10瓦，而基于服务器的设计方案系统功耗一般都在100瓦以上。因此本发明提供的远程实验室控制器在功耗上也实现了大量的降低。
图I为本发明实施例的系统结构框图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本实施例的远程实验室控制器的结构如图I所示，其连接到实验室内的开发板或仪器设备，用于远程控制所述开发板或仪器设备，并可远程观看实验现场视频，该控制器包括控制管理模块I、视频图像处理模块2、多用途接口模块3、电源管理模块4。视频图像处理模块2、多用途接口模块3、电源管理模块4，均由现场可编程门阵列FPGA实现；双核处理器、现场可编程门阵列FPGA均在单一芯片内实现。优选地，本发明的远程实验室控制器基于赛灵思公司的Zynq系列可编程SOC实现。Zynq可编程SOC中包括双核处理器ARM Cortex_A9与现场可编程门阵列(FPGA)。Cortex-A9在Zynq中可达到1GHz, FPGA与Cortex_A9在片内的融合可实现高数据带宽的传输，低功耗以及灵活的配置。控制管理模块I在双核处理器上完成，双核处理器包括第一处理器11和第二处理器12，其中第一处理器11运行控制器所要求的操作系统，通过第一通用网络接口 111完成与远程用户的信息交互并获取网络带宽信息，第二处理器12运行相应的控制管理规则，其脱离所述操作系统独立运行，通过第二通用网络接口 121与实验室内的部分开发板或仪器设备连接，完成对所述部分开发板或仪器设备的控制管理，通过AXI Interconnect互联矩阵对所述视频图像处理模块2、多用途接口模块3、电源管理模块4进行访问，并从第一处理器11中获取实时网络带宽信息；其中第一通用网络接口 111、第二通用网络接口 121均为双核处理器的片内外设，两个千兆通用网络接口 111、121为以太网络接口(GE)均通过片内的AMBA Switch与双核处理器进行数据交互。同时zynq提供外接DDR2控制器与Flash控制器，DDR2主要提供操作系统运行的存储空间，Flash中主要存储BOOT文件以及FPGA的配置文件。视频图像处理模块2在FPGA中实现，其通过与其相连的多个摄像头采集实验室内的高清图像，并在所述视频图像处理模块中完成视频的拼接和缩放。其提供AXI接口，并通过AXI Interconnect互联矩阵与双核处理器互联，远程用户通过网络将控制信息传递给双核处理器，处理器获得用户控制信息后，将此信息通过AXI Interconnect互联矩阵输出至视频处理模块。该模块可根据用户的指令，利用其内部的视频缩放硬件IP核，直接完成1080P高清视频的放大、缩小而无须处理器参与。同时根据第一处理器 11反馈的网络带宽信息，可重配置不同的视频压缩算法，如网络情况较好，可以利用H. 264直接压缩成高清视频，如网络情况较差，可利用Motion JPEG算法，以及上述视频缩放硬件IP核，缩小视频尺寸，通过损失视频尺寸和清晰度来确保视频传输实时性，从而确保远程用户观看到低延时的视频传送。其将拼接和缩放后的视频图像通过AXI Interconnect互联矩阵提供给控制管理模块中的第二处理器12，再由所述第二处理器12送至第一处理器11，并通过第一通用网络接口 111传送到远程用户。该远程视频服务通过片内的处理器与FPGA协同工作，在单芯片内即可高速的完成视频的传输，视频的缩放处理等，取代了视频采集卡，视频服务器等设备，降低了设备成本，减少了系统功耗。上述模块中用到了一种新的FPGA配置方式，称为部分可重配置技术(PartialReconfiguration)，其区别于以往的FPGA配置技术。通过该技术不需对整个FPGA进行可重配置，只需划分出FPGA内相应区域，只对该部分FPGA逻辑进行重配置，这样可保证FPGA内其他模块正常工作不受影响。划分出的部分重配置模块的配置bit文件可预存在片外Flash中，也可由用户通过网络输入；如上述视频处理中的视频压缩算法模块的变化就利用了该技术。多用途接口模块3，提供可与实验室内的另一部分开发板或仪器设备连接的接口。在本发明中，多用途接口模块也采用了上述技部分可重配置技术。多用途接口模块主要提供了多个串口、RS485以及JTAG等常用接口，通过这些接口可与相应的开发板、仪器设备连接，采集信息，传输控制命令。多用途接口模块部分也预留了一块部分可重配置逻辑，可根据实验室现场情况，增加或减少串口等常用接口数目，同时也可用于添加专用接口，如CAN，IIC或用户自定制数据通信接口。电源管理模块4，根据远程用户的指令对各个开发板或实验室设备的电源开关进行操作。在本发明中，电源管理模块与片外电源及传感器扩展板结合使用。电源及传感器扩展板主要提供了各种设备、开发板的电源接口，并提供了物理开关用于对各个开发板、设备电源的开启/关断，其控制信号由用户通过网络传递给第二处理器12，由第二处理器12通过AXI Interconnect互联矩阵输出给电源管理模块,完成电源开启/关断的控制。同时扩展板上还提供了红外温度传感器以及电流、电压测量。所述的电源管理模块4，将检测到的各开发板或仪器设备的温度、电流、电压值交由第二处理器12判断所监控的所述开发板或仪器设备是否处于过载或短路的状态，如所述开发板或仪器设备处于过载或短路，及时切断其电源。综上，本发明提出了一种新型的远程实验室控制器，该控制器将以往通过PC机、服务器，串口 Hub等设备集成的系统集成至单个芯片中，实现了系统的小型化，这样的小型化能将控制板直接集成至开发板阵列机架中，明显减少了系统的空间占用。同时Zynq系列器件的功耗在10瓦以下，而基于X86架构的服务器和其他外接视频采集卡，串口集线器等的传统方案功耗一般都在100瓦以上 ，因此本发明的远程实验室控制器，其功耗也有显著降低。本控制器结合处理器以及FPGA逻辑实现在线可重配置技术，可根据网络带宽情况，在线改变视频压缩算法硬件，确保传输的实时性；并根据现场接口情况，灵活增加或减少专用接口，显著增加了系统的灵活性。
权利要求
1.一种远程实验室控制器，其连接到实验室内的开发板或仪器设备，用于远程控制所述开发板或仪器设备，进行远程观看实验现场视频，其特征在于所述控制器包括控制管理模块、视频图像处理模块、多用途接口模块和电源管理模块； 所述控制管理模块由双核处理器完成，双核处理器包括第一处理器和第二处理器，其中所述第一处理器运行控制器所要求的操作系统，通过第一通用网络接口完成与远程用户的信息交互并获取网络带宽信息，所述第二处理器运行相应的控制管理规则，其脱离所述操作系统独立运行，通过第二通用网络接口与实验室内的部分开发板或仪器设备连接，完成对所述部分开发板或仪器设备的控制管理，通过AXI Interconnect互联矩阵对所述视频图像处理模块、多用途接口模块、电源管理模块进行访问，并从第一处理器中获取实时网络带宽信息；其中第一通用网络接口和第二通用网络接口均为 双核处理器的片内外设； 视频图像处理模块通过与其相连的多个摄像头采集实验室内的图像，并在所述视频图像处理模块中完成视频图像的拼接和缩放，将拼接和缩放后的视频图像通过AXIInterconnect互联矩阵提供给控制管理模块中的第二处理器，再由所述第二处理器送至第一处理器，并通过第一通用网络接口传送到远程用户； 多用途接口模块，提供与实验室内的另一部分开发板或仪器设备连接的接口 ； 电源管理模块，根据远程用户的指令对各个开发板或实验室设备的电源开关进行操作； 视频图像处理模块、多用途接口模块和电源管理模块均由现场可编程门阵列实现； 双核处理器、AXI Interconnect互联矩阵和现场可编程门阵列均在单一芯片内实现。
2.如权利要求I所述的远程实验室控制器，其特征在于所述的视频图像处理模块，根据实时网络带宽信息加载不同的图像压缩硬件模块，当网络带宽较高时，在保证图像传输实时性的同时，压缩并传输清晰的图像；当网络带宽较低时，采用压缩比更高的图像压缩硬件模块。
3.如权利要求I所述的远程实验室控制器，其特征在于所述的多用途接口模块根据实验环境现场增加或减少串口模块，同时也动态地在现场可编程门阵列片内增加RS485和/或JTAG接口，并现场重配置。
4.如权利要求I所述的远程实验室控制器，其特征在于所述电源管理模块与温度、电流、电压传感器连接，将温度、电流、电压传感器检测到的各开发板或仪器设备的温度、电流、电压值交由第二处理器判断所监控的所述开发板或仪器设备是否处于过载或短路的状态，如所述开发板或仪器设备处于过载或短路，及时切断其电源。
全文摘要
本发明公开了一种远程实验室控制器，其在单芯片内即可完成远程实验室控制以取代以往的通过服务器等设备实现的架构。主要包括控制管理模块、视频处理模块、多用途接口模块和电源管理模块。其中控制管理模块运行在片内双核处理器上，视频处理模块、多用途接口模块、电源管理模块运行在片内现场可编程门阵列(FPGA)上。软硬件协同工作，可远程实现实验环境现场多个设备、开发板的访问控制，视频观看等功能，同时该控制器可提供可重配置功能确保视频传输的实时性，同时满足各种专用接口的需求。本发明由于采用上述架构设计，具有体积小，功耗、成本降低，同时系统灵活性得到极大提高。
文档编号G05B19/042GK102968086SQ20121052759
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者吴幸, 孙立涛 申请人:东南大学