专利名称：一种基于fpga的物联网接入模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种可实现多种信息采集的FPGA物联网接入模块，该模块具有通用模块化接ロ设计，属于计算机网络领域。
背景技术：
随着互联网技术的普及，以及嵌入式技术、传感器技术和无线传输技术的迅速发展，信息网络对人们生活方式的影响越来越大，井深入到各应用领域当中进ー步发挥其影响力。信息网络技术将人们的感知世界进行广阔地延伸，从而将各种逻辑上的信息与真实物理世界融合在一起，满足了人们信息获取的“无所不在”需求，改变着人们与自然的交互方式。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，它通过各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交換和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的ー种网络。物联网是“物物相连的互联网”，其核心和基础仍然是互联网，物联网是在互联网基础上扩展和延伸的信息网络。物联网通过大量应用各种信息采集传感器和设备，不断获取应用和环境信息，支持人们对物体实施智能控制。实质上，物联网是传感网络、无线通信网络和互联网高效融合的产物，是信息系统与物理系统的高效融合的系统。物联网接入方式是多种多祥的。如广域的PSTN、互联网、无线通信网络等，物联网接入设备包含采集设备、中继设备和汇聚设备。这些设备将多种接入手段整合起来，统ー互联到接入网络的关键设备。它们可满足多种传感器的接入需求，通过无线网络拓展与互联网接入实现智能化监控与管理。 而现有的数据采集和传输设备，信息采集和传输功能単一、接入模块的可扩展性较差。一旦接入节点设备设计完成，就难以对节点的传感采集和传输功能进行扩展，对于新的应用场景更要对节点硬件结构进行重新设计，二次再开发较复杂并需要更长的开发周期。这不但难于实现多平台无线设备接入，且成本较高，限制了物联网接入技术的推广应用。因此本实用新型利用FPGA设计提供ー种支持多种传感器、无线通信传输和互联网接入的通用设计模块，能够进行多种传感器和采集设备的采集数据信息传输和转发，并提供多种物联网接入的传输方式。能够广泛应用于各种物联网数据采集和传输设备，降低物联网组网成本
实用新型内容
针对物联网技术的迅速发展，为了扩展现有技术的应用领域，解决上述存在的问题，因此需要设计ー种通用的、功能可重构、能够适用于多种场景的通用型物联网接入模块。从而保证物联网接入模块的设计灵活性较强，进而減少物联网接入技术推广时的设计
复杂度。[0008]本实用新型提供ー种支持多种传感器、无线传输和网络传输的通用型物联网接入模块，最終实现避免重复设计物联网接入采集设备节点主体硬件情况下，通过添加与模块接ロ匹配的传感器接口和控制IP核，完成对多种传感数据的采集，以及设置信息数据的应用传输模式，从而实现物联网接入模块适用于多种采集设备装置。同时支持无线传输、网络传输和有线通信等多种物联网接入方式，能够应用于多种设计需求的设备装置。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于FPGA的物联网接入模块，其特征在于包括FPGA芯片、网络芯片、存储模块、配置模块和对外接ロ模块。其中所述的FPGA芯片为所述FPGA物联网接入模块的控制处理核心，与网络芯片、存储模块、配置模块，以及对外接ロ模块相连接； 所述的存储模块，至少包含ー闪速FLASH存储器；所述的配置模块，包含FPGA配置电路和时钟电路；所述的对外接ロ模块，包含FPGA物联网接入模块的电源接口和以太网接ロ。进ー步的，所述的存储模块包括一 DDR2存储器。进ー步的，配置电路采用上拉电阻和下拉电阻设置；其时钟电路采用一无源晶振。进ー步的，所述的对外接ロ模块包括无线通信接ロ或传感器接ロ之一，或者两者组合。进ー步的，所述的无线通信接ロ，采用基于GPRS、3G、蓝牙Bluetooth、Zigbee或Wi-Fi的无线通信协议接ロ。进ー步的，所述的传感器接ロ，采用基于标准I2C、I2S, SPI或UART的传感器通信接ロ。所述的FPGA物联网接入模块以FPGA芯片为中心，网络芯片、存储模块、配置模块和对外接ロ模块都由FPGA芯片进行设置和控制。 所述的存储模块包含动态DDR2存储器和闪速FLASH存储器。DDR2存储器和FLASH存储器与FPGA芯片相连接，DDR2存储器用于缓存计算与处理的数据和程序，FLASH存储器用于存储配置设置和FPGA自启动程序。所述的配置模块的FPGA配置电路，通过上拉电阻和下拉电阻的配置电路来设置FPGA芯片的控制状态信号，将FPGA芯片配置成从FLASH存储器上电加载程序的工作模式；配置模块的时钟电路是ー个无源晶振，为FPGA提供參考时钟信号。该时钟电路的优点在于成本低、面积小、功耗低。所述的对外接ロ模块，无线通信接ロ能够提供多路无线传输通信接入，可采用基于GPRS、3G、蓝牙Bluetooth、Zigbee或Wi-Fi的无线通信协议接ロ ；传感器接ロ能够提供多路模拟/数字传感器接入，可采用基于标准I2C、I2S、SPI或UART的传感器通信接ロ。通过传感器接ロ可以实现多种模拟/数字传感器、采集设备和FPGA芯片相连，扩展传感器信息采集的功能和应用；利用接ロ模块中的无线通信接ロ、以太网网络接ロ，可以将采集的信息数据进行处理、封包、传输和转发；电源接ロ是标准的电源I/O接ロ，统ー对物联网接入模块的各个子模块电路提供多种电平标准的电源供给JTAG接ロ的TDI、TD0、TMS、TCK信号与FPGA芯片制定配置管脚相连，连接调试仿真器和FPGA芯片，实现FPGA物联网接入模块的程序烧写和调试控制；利用传感器接ロ的UART通信接入接ロ，实现FPGA芯片与通用电气量互感器的连接，实时采集电网中电流、电压电气量信息数据；利用接ロ模块中的USB标准接ロ连接外部USB驱动芯片，驱动USB的正常通信。利用对外接ロ模块中的传感器接口和无线通信接ロ，能够实现对多种类型的传感器、采集设备和无线通信模块等器件的支持。所述的FPGA芯片还与对外接ロ的Prog_B复位控制信号相连，用于控制FPGA程序的复位重启。所述的FPGA芯片还 与对外接ロ的DONE状态信号相连，用于显示整个物联网介入模块的工作状态。本实用新型在以上技术方案中的有益效果为I)本实用新型提出了一种应用干物联网接入系统采集设备装置的通用模块。该模块适用于多种物联网应用环境中的采集设备装置，支持无线数据通信和网络数据传输，可以载有多种模拟/数字传感器和采集设备，支持USB接ロ配置，具有适用范围广、可扩展性再开发成本低等优点。2)兼容多种传感器和采集设备，可以包含温度传感器、湿度传感器多种模拟/数字传感器；通过通用串ロ通信接ロ能够与数字采集设备进行交互，采集各种环境參数和监测数据。上述传感器和采集设备可以覆盖エ农业生产、环境监测、智能电网等广泛的应用领域。3)支持多种数据通信方式，可以通过无线通信网络、以太网有线网络、USB、UART、JTAG和终端进行通信。能够满足物联网接入系统的多种采集设备需求，支持多种物联网接入方式，降低了物联网接入网络的组网成本。4)本实用新型的电源采用统ー的标准电源接ロ，支持直流电源或锂电池的供电方式，能够满足各种应用环境的要求。
图I为基于FPGA的物联网接入模块的硬件结构框图；图2为FPGA物联网接入模块的对外接ロ电路原理图；图3a为FPGA物联网接入模块的封装规格示意图俯视图；图3b为FPGA物联网接入模块的封装规格示意图仰视图。图中1、FPGA芯片，2、网络芯片，3、FLASH芯片，4、DDR2芯片，5、晶振，6、接ロ管脚，7、拼版连接处。
具体实施方式
通过借助附图详细描述本实用新型的实施例，将有助于理解本实用新型的目的和优点，其中图I是解释基于FPGA的物联网接入模块的硬件结构框图。如图所示，所述的基于FPGA的物联网接入模块，包含FPGA芯片、网络芯片、存储模块、配置模块和对外接ロ模块。存储模块至少包含一个闪速FLASH存储器，还可包含ー动态DDR2存储器；配置模块包含FPGA配置电路和时钟电路；对外接ロ模块包含传感器接ロ、无线通信接ロ、以太网网络接ロ、JTAG接口和电源接ロ。[0040]整个模块以FPGA芯片为中心，网络芯片、存储模块、配置模块和对外接ロ模块都由FPGA芯片进行设置和控制。FPGA芯片选用Xilinx公司Spartan6系列XC6SLX16CSG324FPGA芯片。该芯片内部集成了 32位微处理器、片内RAM，以及各种系统管理和外围设备IP核，能够方便的进行数据计算处理和通信传输控制。FPGA物联网接入模块的整个网络协议、应用框架和应用控制软件都在该芯片上运行。网络芯片是以太网的通信控制芯片，采用Marvell Alaska公司的88E1111芯片，是ー个10/100/1000Mb的多数据率以太网接ロ芯片，支持多种网络数据通信模式，其主要功能是建立FPGA与以太网的网络链路，将采集信息数据通过以太网发送给服务器。存储模块的DDR2存储器和FLASH存储器都与FPGA芯片直接相连，DDR2存储器是FPGA处理器系统的外扩缓存器件，用于存储计算与处理应用执行过程中的中间计算数据和程序。DDR2存储器芯片选用Elpida公司的EDE1116ACBG_8E_E芯片，该芯片存储容量为IGbit (128MB)，使用xl6的16位并行数据接ロ，支持800MHz的高速数据读写操作，能够 满足多种应用接入通信方式的要求。而FLASH存储器是模块配置启动程序和数据的存储芯片，用于存储FPGA BPI boot自启动配置程序和数据，该芯片与FPGA的指定外部存储器数据线、地址线和控制线管脚连接，由FPGA芯片主控按照标准的比特流规格和控制时序加载自启动程序。该FLASH芯片选用Spansion公司S29系列的S29GL256D NOR FLASH存储器件，支持x8/xl6的数据操作模式，其存储容量为256Mbit (32MB)。FLASH芯片与FPGA芯片的控制连接方式与FPGA芯片的自启动配置功能相对应，通过FPGA芯片的MasterBPI配置模式控制，从FLASH芯片基准零地址开始读取配置程序，加载到FPGA芯片的片内RAM中运行以启动系统执行应用软件。配置模块的配置电路是通过若干FPGA芯片外围上拉电阻和下拉电阻，设置FPGA芯片的相关工作模式配置状态信号，将FPGA芯片设置成MasterBPI的配置模式。配置模块的时钟电路由ー个无源晶振提供，向FPGA芯片输出准确的50MHz參考时钟，基于此參考时钟的时钟管理器IP核为FPGA芯片系统内部各功能块和应用软件提供所需工作时钟。该时钟电路的优点在于成本低、面积小和功耗低。对外接ロ模块采用通用模块化的设计思想，接ロ包括以太网接ロ、Zigbee无线通信接ロ、JTAG接ロ、传感器接ロ(温度传感器接ロ、UART接ロ)、USB接ロ、和电源接ロ，还有FPGA复位控制和状态指示。图2是FPGA物联网接入模块的接ロ电路原理图。其中，网络接ロ主要是以太网PHY数据传输差分对信号以及网络传输状态指示信号，网络数据通过四对差分信号线(PHY_0N(P)、PHY_1N(P)、PHY_2N(P)、PHY_3N(P))以 GMII标准格式传送，能够直接接入到以太网物理连接接ロ上；网络传输状态指示包含PHY_RX和PHY_TX，分别显示网络传输的数据接收和发送的工作状态。Zigbee无线接ロ包含与Zigbee无线模块的数据传输信号和Zigbee无线模块的复位控制，Zigbee的无线数据传输符合标准UART接ロ规格，通过Zigbee_TXDl、Zigbee_RXDl与FPGA通信交互，将采集的信息数据或其他无Zigbee设备传送的信息数据进行封包、转发。UART接ロ是标准的异步串行通信接ロ，这里通过扩展通用1/0接ロ与电气量互感器相连接，接收实时采集的通用电气量电流电压信息数据，送给FPGA芯片进行处理并通过多种接入方式传送给服务终端。温度传感器接ロ是通过通用1/0接ロ的DDQl，与外围的温度传感器DS18B20相连接，采集设备工作环境的温度信息数据，通信传输信号符合I2C标准。USB接ロ主要是为FPGA芯片提供USB通信连接，利用外部USB驱动芯片，支持终端与FPGA芯片的USB通信交互。模块还有其他二十个管脚的通用I/O接ロ，这些I/O接ロ管脚和上述Zigbee无线通信接ロ、传感器接ロ、USB通信接ロ都可以作为通用标准I/O使用，支持用户多种应用需求的扩展开发。能够实现对各种类型的传感器、采集设备和无线通信模块等器件接入的支持。电源接ロ主要是为模块上各主要芯片的提供多种电平标准的电源的I/O接ロ，共有五个电压电源和三个參考地(GND)，这些电源分别提供3. 3v、2. 5v、l. 8v、l. 2v和0. 9v的工作电源。接ロ模块中还有FPGA芯片的复位控制信号PR0G_B和状态指示信号DONE。PR0G_B与FPGA芯片的复位重启控制管脚FPGA_PR0G_B(V2管脚)连接，由外围电路按键产生复位控制脉冲信号，实现FPGA芯片系统重新启动。而DONE是FPGA芯片的工作状态指示信号，可以驱动外围LED，显示FPGA芯片系统的工作状态。图3是FPGA物联网接入模块的封装规格示意图，模块的对外接ロ是模块的外部物理连接接ロ。模块接ロ共有五十个管脚6，分成两列分列模块电路板的左右两侧。该模块的硬件电路板采用四层电路板设计，元器件采用单面布板，主要元器件FPGA芯片I、网络芯片2、FLASH芯片3、DDR2芯片4和晶振5都分布在模块电路板的top层，模块电路板bottom层没有安置任何电子元器件；模块使用邮票孔接ロ管脚设计和拼版生产エ艺。该模块的封装规格易于各种物联网接入系统的设备装置的硬件设计应用以及生产加工。以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。
权利要求1.一种基于FPGA的物联网接入模块，其特征在于包括FPGA芯片、网络芯片、存储模块、配置模块和对外接口模块。其中 所述的FPGA芯片为所述FPGA物联网接入模块的控制处理核心，与网络芯片、存储模块、配置模块，以及对外接口模块相连接； 所述的存储模块，至少包含一闪速FLASH存储器； 所述的配置模块，包含FPGA配置电路和时钟电路； 所述的对外接口模块，包含FPGA物联网接入模块的电源接口和以太网接口。
2.根据权利要求I所述FPGA物联网接入模块，其特征在于，所述的存储模块包括一DDR2存储器。
3.根据权利要求I所述FPGA物联网接入模块，其特征在于，配置电路采用上拉电阻和下拉电阻设置；其时钟电路采用一无源晶振。
4.根据权利要求I所述FPGA物联网接入模块，其特征在于，所述的对外接口模块包括无线通信接口或传感器接口之一，或者两者组合。
5.根据权利要求4所述FPGA物联网接入模块，其特征在于，所述的无线通信接口，采用基于GPRS、3G、蓝牙Bluetooth、Zigbee或Wi-Fi的无线通信协议接口。
6.根据权利要求4所述FPGA物联网接入模块，其特征在于，所述的传感器接口，采用基于标准12C、12S、SPI或UART的传感器通信接口。
专利摘要一种基于FPGA的物联网接入模块属于计算机网络领域。本实用新型包括FPGA芯片、网络芯片、存储模块、配置模块和对外接口模块。所述的对外接口模块具有传感器接口、无线通信接口和网络接口，通过与通用电气量互感器、温度传感器、湿度传感器连接，完成多种环境的数据采集。本实用新型提供一种物联网接入采集传输系统，实现采集信息和环境参数的无线传输，同时也能够通过以太网、通用通信接口进行有线传输。通过简单的定制传感器接口和传输应用配置，就能够分别构成物联网接入采集系统的各种设备装置。具有通用性好、构造简单、低成本，大大降低物联网接入采集设备装置开发、生产的难度和成本。
文档编号H04L29/10GK202535395SQ20112051126
公开日2012年11月14日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者侯义斌, 刘宏珍, 李达, 陈婷, 黄樟钦 申请人:北京工业大学