基于FPGA动态局部重配置技术的热电厂集中监控系统的研究与实现

摘要

随着嵌入式技术的成熟与发展，嵌入式系统已经越来越广泛地应用于工业生产中的各个环节当中，对工业生产现场的在线监控已经成为了其中的一个重要的应用领域。通过对工业现场各种信息的收集、处理和分析，可以准确地对工业现场环境，设备的运行状态等进行实时的监控，从而提高生产工作效率，增强生产安全保障，节省能耗，提高经济效益。
　　 局部重配置是一种新型的可重配置计算技术，利用局部重配置技术，可重配置计算系统可以对可重配置逻辑器件上的指定计算资源进行独立地配置，而不影响器件上其余部分的功能，与早期的可重配置计算技术相比，它减小了配置位流下载、重配置FPGA芯片的时间，节省了硬件资源，有效地提高了系统的整体性能和资源利用率。
　　 在现代工业自动控制领域中，需要对大型工业流程的工业级实时监测和视频监视进行大量的数据处理；而当今工控系统在实时性、稳定性、体积、成本等方面都与工业现场的实际要求有很大的差距。本论文设计了一个基于FPGA动态局部重配置技术的热电厂集中监控系统，该系统通过对FPGA的区域配置，实现了全方位、立体化的集中控制。在异常出现时，通过应用FPGA动态局部重配置技术第一时间做出反应。由于工业生产车间有很多工作人员不易于频繁到达的区域，本系统可以提供异常发生时刻的视频图像及数据，便于先进行初步的远程诊断以确定解决方案。
　　 本系统为“XILINX杯高校开放源码硬件创新大赛”参赛项目。通过对FPGA的总体设计与动态局部重配置技术的应用，充分的展现了FPGA的高速、并行的特性，解决了成本与性能之间的矛盾。该系统的设计为基于FPGA的动态局部重配置技术在工业自动控制领域的应用提供了一种可行的解决方案。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 可重配置技术背景

1.2 热电厂计算机监控技术介绍

1.3 平台的介绍与描述

1.4 需要解决的问题

1.5 后续章节安排

第二章 可重配置系统概述

2.1 可重配置系统模型

2.1.1 宿主机与可重配置逻辑松耦合模式

2.1.2 微处理器与可重配置逻辑松耦合模式

2.1.3 微处理器与可重配置逻辑紧耦合模式

2.1.4 微处理器、存储器与可重配置逻辑紧耦合模式

2.1.5 四种耦合模型的比较

2.2 可重配置系统的可重配置特性

2.2.1 静态可重配置系统

2.2.2 动态可重配置系统

2.3 动态局部可重配置系统的研究意义

2.4 本章小结

第三章 FPGA基本原理

3.1 FPGA基本概念及分类

3.2 FPGA配置模式介绍

3.3 Virtex系列FPGA的内部结构

3.3.1 输入/输出单元

3.3.2 可配置逻辑单元

3.4 基于ISE的FPGA设计流程

3.5 基于模块的FPGA局部重配置流程简介

3.5.1 模块设计入口和综合

3.5.2 模块设计实现

3.6 本章小结

第四章 系统总体设计

4.1 热电厂监控系统的功能

4.2 项目综述及可行性分析

4.2.1 项目关键技术概述

4.2.2 技术成熟性和可靠性论述

4.3 项目方案总体设计

4.3.1 方案基本功能框图及描述

4.3.2 系统功能流程图及描述

4.3.3 FPGA片内模块设计概述

4.3.4 项目创新点论述

4.4 本章小结

第五章 系统详细设计

5.1 重配置模块设计

5.1.1 EAPR介绍

5.1.2 HWICAP设计

5.1.3 工作流程

5.2 视频模块设计

5.2.1 ITU2R BT.656视频标准介绍

5.2.2 FPGA内部模块设计

5.2.3 颜色-空间转换模块设计

5.2.4 视频模块IPcore设计与工作流程

5.3 DCS模块设计

5.3.1 DCS主模块

5.3.2 信号发送模块

5.3.3 信号接收模块

5.3.4 分频

5.4 AD模块设计

5.4.1 SPI模块

5.4.2 AD7705

5.5 操作系统模块设计

5.6 步进电机模块设计

5.6 本章小结

第六章 系统测试

6.1 测试环境与工具

6.2 测试结果

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

研究生阶段的科研情况