CN204498143U

CN204498143U - 一种公交车物联网安控终端的fpga模块

Info

Publication number: CN204498143U
Application number: CN201520111818.0U
Authority: CN
Inventors: 李达; ***; 刘宏珍; 黄樟钦; 王书龙
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2015-02-15
Filing date: 2015-02-15
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2025-02-15

Abstract

一种公交车物联网安控终端的FPGA模块属于计算机网络领域，包括FPGA芯片、缓存计算模块、***配置模块和对外接口模块。对外接口模块具有通信接口、网络视频接口、数据传感器接口、存储接口和配置电源接口，通过与多路高清网络摄像头、温度传感器、报警器连接，完成多种环境和信息的数据采集。本实用新型实现多路网络高清音视频监控信息、报警信息和环境参数的无线4G高速实时传输，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，就能够分别构成车辆安控物联网接入***的各种设备装置。具有通用性好、构造简单、低成本，大大降低车辆安控物联网接入***硬件设备装置开发、生产的难度和成本。

Description

一种公交车物联网安控终端的FPGA模块

技术领域

本实用新型涉及一种可实现多种信息采集、处理和传输的一种公交车物联网安控终端设备的物联网FPGA模块，该模块具有通用模块化接口设计，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，并深入到各应用领域当中进一步发挥其影响力。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，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。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***与物理***的高效融合的***。

物联网接入方式是多种多样的，如广域的PSTN、互联网、无线通信网络等。车辆安控终端物联网也需要多种信息数据的接入，包括音视频、报警信息、温度数据和GPS位置数据等等。车辆安控终端设备将多种接入手段整合起来，统一互联到接入网络的车辆安控监控平台***。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车辆智能化监控与管理。

而现有的数据采集和传输设备及***，信息采集和传输功能单一、接入模块的可扩展性较差。车载视频监控大都仍是低分辨率的模拟视频，且很少能支持实时远程网络监控。并且每路模拟视频接入通道都需要专门配置接入采集芯片，这样致使多路视频采集的集成度很低，不利于应用设计和通用配置设备。车载视频监控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，再开发较复杂且周期长。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设计提供一种支持多种传感器接入、4到6路网络高清数字音视频实时监控、有线/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车辆物联网安控的数据采集和传输设备，提高安控应用服务质量和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，因此需要设计一种通用的、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，进而减少物联网接入技术推广时的设计复杂度。

本实用新型提供一种支持多种传感器、无线传输和网络传输的通用型物联网接入模块，最终实现：进行4到6路网络高清音视频实时采集，实现本地监控存储和远端实时调阅；避免重复设计物联网接入设备节点主体硬件情况下，通过添加与模块接口匹配的传感器接口和控制IP核，完成对多种数据传感数据的采集，以及设置信息数据的应用传输模式，从而适用于多种车辆安控终端物联网设备设计需求。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：

一种公交车物联网安控终端的FPGA模块，其特征在于包括FPGA芯片、缓存计算模块、***配置模块和对外接口模块。其中：

所述的FPGA芯片为所述公交车物联网安控终端的FPGA模块的控制和处理核心，与缓存计算模块、***配置模块和对外接口模块相连接；

所述的缓存计算模块，至少包含一DDR3SDRAM存储器；

所述的***配置模块，包含FPGA配置电路和时钟电路，以及QSPI Flash芯片；

所述的对外接口模块，包含通信接口、网络视频接口、数据传感器接口、存储接口和配置电源接口。

进一步的，配置电路采用上拉电阻和下拉电阻设置；其时钟电路采用一差分晶振和一基准时钟；QSPI Flash采用四线存储数据设计。

进一步的，所述的通信接口，采用基于4G无线通信协议接口和10/100/1000多态以太网接口。

进一步的，所述的网络视频接口，采用基于工业以太网的视频数据流接口，支持4到6路网络高清音视频数据接入。

进一步的，所述的数据传感器接口，采用基于标准I²C、I²S、SPI或UART的传感器通信接口。

所述的车辆安控终端物联网FPGA模块以FPGA芯片为中心，缓存计算模块、***配置模块和对外接口模块都由FPGA芯片进行设置和控制。

所述的缓存计算模块包含动态DDR3高速缓存器件组。DDR3存储器直接与FPGA芯片相连接，DDR3存储器用于缓存***计算与处理的数据和程序。

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QSPI 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一差分晶振和一基准时钟，为FPGA芯片PS核***和逻辑提供参考时钟信号。

所述的对外接口模块，通信接口提供无线接入和有线接入，无线传输通信采用4G无线通信协议接口，有线接入采用10/100/1000多态以太网协议接口；网络视频接口采用多路高清数字视频流的工业以太网传输接口，通过网络交换芯片进行高速4到6路网络高清音视频数据接入；数据传感器接口提供多路模拟/数字传感器接入，采用基于标准I²C、I²S、SPI或UART的传感器通信接口。通过传感器接口可以实现多种模拟/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；存储接口，是扩展外部SD卡和硬盘接入接口，为***提供***linux boot配置数据和网络视频数据采集本地存储空间；电源接口是通过主板多路供电电路输出接入到模块上，为各个功能模块和芯片电路提供所需运行电平。

本实用新型在以上技术方案中的有益效果为：

1)本实用新型提出了一种应用于一种公交车物联网安控终端的FPGA通用处理核心模块。该模块适用于多种物联网应用环境中的物联网接入设备装置，支持多路高清网络音视频数据实时监控，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，具有适用范围广、可扩展性好等优点。

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；可以接入多路网路高清摄像头，通过工业以太网通信接***互；可以采集各种环境参数和监测数据。上述传感器和采集设备可以适用于工农业生产、环境监测、车辆安控等广泛的应用领域。

3)支持多种数据通信方式，可以通过无线通信网络、以太网有线网络等终端进行通信。能够满足物联网接入***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一的标准电源接口，支持宽范围供电输入12-36V，能够满足各种车载供电应用环境的要求。

附图说明：

图1为公交车物联网安控终端的FPGA模块的硬件结构框图；

图2为公交车物联网安控终端的FPGA模块的应用示意图；

图3-(1)为FPGA芯片的PS核心电路图

图3-(2)是FPGA芯片的DDR缓存接口电路图

图3-(3)是FPGA芯片的PL扩展逻辑电路图

图3-(4)是FPGA各类传感器的连接电路图

图3-(5)是FPGA芯片PS核心的外部接口图

图3-(6)是FPGA芯片的供电和接地电路图

图3-(7)是模块的缓存芯片图

图3-(8)是模块的存储配置flash芯片图

图3-(9)是模块的时钟电路图

图3-(10)是FPGA模块接口图

图4为公交车物联网安控终端的FPGA模块的对外接口图；

图5为公交车物联网安控终端的FPGA模块的封装规格示意图；

图中：1、FPGA芯片，2、网络芯片，3、FLASH芯片，4、DDR2芯片，5、晶振，6、接口管脚，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1是解释公交车物联网安控终端的FPGA模块的硬件结构框图。

如图所示，所述的物联网FPGA模块，包括FPGA芯片、缓存计算模块、***配置模块和对外接口模块。

整个模块以FPGA芯片为中心，缓存计算模块、***配置模块和对外接口模块都由FPGA芯片进行设置和控制。FPGA芯片选用Xilinx公司Zynq系列XC7Z0201CLG484C芯片。该芯片内部集成了双核cortex-A9Arm嵌入式微处理器，以及各种***管理和***设备IP核，能够方便的进行数据计算处理和通信传输控制。缓存计算模块是4片256Mx8DDR3高速缓存器件组成的芯片组，为***提供高达1GB的计算缓存空间，便于***运行linux操作***和多路高清音视频数据的实时采集处理；QSPI Flash为16MB的4线SPI Flash存储器，用于存储***关键配置数据。

配置电路是通过若干FPGA芯片***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SD boot的配置模式。配置模块的时钟电路由一个差分晶振和一时钟基准提供，向FPGA芯片ARM核***输出准确的33.33MHz参考时钟，向逻辑部分提供200MHz差分信号源。

对外接口模块采用通用模块化的设计思想，接口包括通信接口、网络视频接口、数据传感器接口、存储接口和配置电源接口。通信接口提供无线接入和有线接入，无线传输通信采用4G无线通信协议接口，有线接入采用10/100/1000多态以太网协议接口；网络视频接口采用多路高清数字视频流的工业以太网传输接口，通过网络交换芯片进行高速4到6路网络高清音视频数据接入；数据传感器接口提供多路模拟/数字传感器接入，采用基于标准I²C、I²S、SPI或UART的传感器通信接口。通过传感器接口可以实现多种模拟/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；存储接口，是扩展外部SD卡和硬盘接入接口，为***提供***linux boot配置数据和网络视频数据采集本地存储空间；电源接口是通过主板多路供电电路输出接入到模块上，为各个功能模块和芯片电路提供所需运行电平。

图2为公交车物联网安控终端的FPGA模块的应用示意图；

整个硬件***开发平台以xilinx FPGA Zynq 7芯片为核心嵌入式处理器***，硬件***主要包括FPGA模块、安控终端主板、接口电路等。图2是安控终端硬件***连接示意图。(1)该终端硬件***可以连接4-6路数字视频摄像头，安控终端正常工作时，通过数字视频采集通道接入多路视频数据信息，经由视频通信接口传送到FPGA主板；同时，可将数字摄像头的音频信息通过音频采集通道接入FPGA主板；(2)环境温度信息由温度传感器采集，通过温度传感器接口传送到FPGA主板上；(3)GPS位置信息通过GPS模块采集获取，经由GPS通信接口传送到FPGA主板；(4)人工可通过与安控终端有线连接的外接报警装置进行报警，该报警信息通过报警通道传输到FPGA主板。(5)车载控制或通信可通过CAN/RS485接口接入安控终端，由FPGA主控器向车载设备传输控制或通信信息。

在FPGA主板上，由FPGA模块的Zynq FPGA芯片中Arm0作为主处理器，负责处理安控终端***管理、温度、GPS数据信息以及报警信息等；Zynq FPGA芯片中Arm1作为从处理器，主要负责视频、音频等信息；

主板的上行传输接口包括以太网接口和3G/4G无线通信接口。(1)以太网接口采用IPv4/v6双栈协议，与外接的Internet进行连接；(2)***采用3G/4G无线传输接口与外接的Internet进行连接。以太网接口和3G/4G无线通信接口由Zynq FPGA芯片中Arm0负责处理。(3)***支持车载wifi信号接入，通过车载wifi设备转接入3G/4G网络。

图3-(1)为FPGA芯片的PS核心的供电和接地，以及基本配置IO。这里我们将多个配置电平都统一设置为2.5v，即DONE、INIT、CFG等配置与模块供电统一设置，这样可以精简配置的***参数电阻和供电的线路。其中，TCK、TDI、TDO、TMS是芯片的下载调试端口，与图3-(10)的JTAG接口IO相连接。

图3-(2)是FPGA芯片的DDR缓存接口电路，包含DDR的控制、地址线和数据线。该接口属于PS核心的DDR控制器接口，由内部Arm处理器进行管理和访问控制，该接口地址线A0-A14，数据线D0-D31，可最大支持2GB的存储器。而接口模式也支持SDRAM、DDR2、DDR3多类型器件接入。本设计中选择4颗256MB的x8DDR3高速缓存器，可工作于1066Mhz。图3-(7)中是这4颗DDR3芯片的电路器件连接，其中D0-7，DQS0+-、DM0与DDR3器件U2连接，D8-15，DQS1+-、DM1与DDR3器件U3连接，D16-23，DQS2+-、DM2与DDR3器件U4连接，D24-31，DQS3+-、DM3与DDR3器件U5连接。而控制线与地址线CAS、RAS、BA0-2、CS、CLK则由FPGA统一与4颗芯片连接，采用菊花链式连接，各控制线和地址线通过40.2欧电阻上拉到VTT，以稳定高速操作电平。

图3-(3)是FPGA芯片的PL扩展逻辑电路，这里通过逻辑扩展IO从芯片扩展多路网络PHY接口，用以支持***对外的多网络接口扩充。在硬件***中设计通过网络交换芯片接入，可支持4-6路网络高清摄像头。这种电路设计能够利用FPGA的逻辑IO为***提供足够的高速网络视频接口，以满足***进行公交车上多个数字高清实时监控的计算和处理要求，这是传统模拟摄像头监控***所无法支持的。这部分的扩展IO都扩展到图3-(10)的模块IO接口上。

图3-(4)是FPGA各类传感器的连接电路，包含温度传感器(T-GPIO)、报警传感器(A-GPIO)、恒定时钟I2S、GPS模块接入接口。其余扩展IO可根据实际应用需求，扩展气体传感器、烟火传感器、车载总线接口、车轴传感器等，以支持多方位的车载安控应用服务。

图3-(5)是FPGA芯片PS核心的外部接口，包括PS时钟、PS控键、QSPI flash、SDIO、USB-OTG、UART、Enet。***通过QSPI flash接口，连接图3-(8)的QSPI flash器件N25Q128，这是16MB的四位flash器件，存放***关键ID和信息数据；***通过SDIO接口连接SDIO连接器与外部SD卡相连，存放***boot的固件和linux***及应用，在***上电加载时载入到DDR3缓存中执行。

图3-(6)是FPGA芯片的供电和接地电路，包含芯片PS和PL部分的核心供电1.0v，PS和PL部分的Aux供电1.8v,而其他各个逻辑扇区供电vcco则大部分统一为2.5v，DDR3部分为1.5v。

图3-(7)是模块的缓存芯片组，4颗256MB x8DDR3芯片，通过DDR控制器配置并行扩展成32位宽数据接口。

图3-(8)是模块的存储配置flash芯片，模块的程序和数据存储芯片，实现FPGA***的自启动配置的必需外设，该芯片选用N25Q128A13BSF40F(Micron/Numonyx)，封装为SOP20，该款芯片是存储容量为128Mbit(16MB)的4bit串行SPI FLASH，支持x1/x2/x4的操作模式。

图3-(9)是模块的时钟电路采用有源晶振的电路设计，***时钟使用SiT9102，2.5V LVDS差分对时钟信号晶体振荡器，输出标准200MHz的参考时钟，是FPGA芯片逻辑设计部分的主要参考时钟源；而FPGA芯片的PS处理器***核，为基于AMBA结构的Arm处理器***，需要独立的***参考时钟，所以使用SIT8103 1.8V单端CMOS晶振提供33.3333MHz的参考时钟信号。

***时钟：

晶振：Si Time SiT9102AI-243N25E200.00000(200MHz)

时钟信号精度：20ppm

输出：差分对信号输出，SYSCLK_P，SYSCLK_N

PS处理器核参考时钟：

晶振：Si Time SiT8103AC-23-18E-33.33333(33.3MHz)

时钟信号精度：20ppm

输出：单端信号输出，PS_CLK

图3-(10)是FPGA模块接口，是模块对外的物理连接通道，提供运行所需的以太网、HDMI、SATA等通信接口连接信号，以及***多种电平标准的电源信号，包含FPGA的2.5v，1.5v，1.0v等多部分参考供电电路。模块接口共设计200pin，分列FPGA模块的四周。

模块接口引脚说明

图4是公交车物联网安控终端的FPGA模块的接口图。

其中，通信接口提供无线接入和有线接入，无线传输通信采用4G无线通信协议接口，有线接入采用10/100/1000多态以太网协议接口；网络视频接口采用多路高清数字视频流的工业以太网传输接口；数据传感器接口提供多路模拟/数字传感器接入，采用基于标准I²C、I²S、SPI或UART的传感器通信接口。通过传感器接口可以实现多种模拟/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；存储接口，是扩展外部SD卡和硬盘接入接口，为***提供***linux boot配置数据和网络视频数据采集本地存储空间；电源接口是通过主板多路供电电路输出接入到模块上，为各个功能模块和芯片电路提供所需运行电平。

图5是公交车物联网安控终端的FPGA模块的封装规格示意图，模块的对外接口是模块的外部物理连接接口。模块接口共有166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八层电路板设计，元器件采用单面布板，主要元器件FPGA芯片1、时钟芯片2、QSPI Flash芯片3、DDR3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；模块使用邮票孔接口管脚设计和拼版生产工艺。该模块的封装规格易于各种物联网接入***的设备装置的硬件设计应用以及生产加工。

Claims

1.一种公交车物联网安控终端的FPGA模块，其特征在于，包括FPGA芯片、缓存计算模块、***配置模块和对外接口模块；其中：

所述的FPGA芯片与缓存计算模块、***配置模块和对外接口模块相连接；

所述的缓存计算模块，至少包含一DDR3SDRAM存储器；

所述的***配置模块，包含FPGA配置电路和时钟电路，以及QSPIFlash芯片；

2.根据权利要求1所述公交车物联网安控终端的FPGA模块，其特征在于，配置电路采用上拉电阻和下拉电阻设置；其时钟电路采用一差分晶振和一基准时钟；QSPI Flash采用四线存储数据设计。

3.根据权利要求1所述公交车物联网安控终端的FPGA模块，其特征在于：所述的通信接口采用基于4G无线通信协议接口或10/100/1000多态以太网接口。

4.根据权利要求1所述公交车物联网安控终端的FPGA模块，其特征在于，所述的网络视频接口采用基于工业以太网的网络高清视频数据流接口，支持4到6路网络高清的音视频数据接入。

5.根据权利要求1所述公交车物联网安控终端的FPGA模块，其特征在于，所述的传感器接口采用基于标准I²C、I²S、SPI或UART的传感器通信接口。