馮大衛(wèi)

摘要：將FPGA應用到實驗室的安防系統(tǒng)中，可以更大程度上提高實驗室的安全性和智能化程度，從而能快速地、實時地檢測到險情信號的變化，更好的發(fā)揮出其自身的優(yōu)勢，綜合考慮其實用性、性價比、可靠性和可實現性，通過調研和分析，設計出系統(tǒng)的安全方案。

關鍵詞：FPGA；安全性；智能化

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)07-1690-02

Based on FPGA of Security Systems in the University Laboratory

FENG Da-wei

(School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract: FPGA application to the lab security systems, to a greater extent to improve safety in the laboratory and the degree of intelligence, so that it can quickly, real-time detection to the danger signal changes, better play out of their own advantages, considering its practicality, cost, reliability, and can be realized through research and analysis, to make the system design.

Key words: FPGA; Security; Intelligent

蘭州交通大學電工電子實驗中心是開展科研，培養(yǎng)創(chuàng)新人才的地方，多少年來，在王紫婷老師的帶領下培養(yǎng)出了許多實用型人才，同時實驗室中心也占了學校固定資產的教大部分，如何提高校實驗室的安全防護和創(chuàng)新管理是一個熱門問題，那么基于FPGA的實驗室安防系統(tǒng)運用相關的傳感器檢測險情信號，經過ZigBee的無線傳輸網絡，以FPGA作為核心控制器件，對信號進行處理，最后做出報警，可以對現場的真實災情做到準確定位。該系統(tǒng)利用Altera公司推出的DE2-70開發(fā)板作為FPGA平臺，借助ZigBee無線傳播網絡，完成檢測和報警于一體的實驗室安防系統(tǒng)。

1安防系統(tǒng)的設計方案

實驗室安防系統(tǒng)主要由檢測單元和處理單元組成，其中檢測單元有兩個模塊構成，為防盜模塊和防火模塊組成。處理單元采用FPGA核心器件負責檢測節(jié)點實時數據和實時處理，兩個單元之間用ZigBee無線傳播網絡為傳送通道。安防系統(tǒng)的傳感器安裝在實驗室需要防范的重要部位，如天花板和窗戶，報警主機安放在其他實驗室控制中心內比較隱秘的地方。每個防護的區(qū)域都設置為實時防區(qū)或推遲防區(qū)。實時防區(qū)是整天防護防區(qū)，一有異常情況，馬上報警和通知主機；推遲防區(qū)在有情況時不會即刻報警，而是根據工作機的狀態(tài)進行響應處理。通常情況，煙霧感，高溫感，儀器破碎等防火模塊傳感器區(qū)域設置為實時防區(qū)，而防止別人非法進入實驗室的檢測器防區(qū)設置為推遲防區(qū)。防非法除開關和緊急報警開關設置為實時防區(qū)。工作機有兩種工作狀態(tài)，監(jiān)控和屏蔽。監(jiān)控狀態(tài)是下班以后，實驗室內沒人時的工作狀態(tài)。當實驗員最后離開實驗室時，打開“監(jiān)控”開關，等待一段時間后，工作機自動進入監(jiān)控工作狀態(tài)。

圖1安防系統(tǒng)框圖

1.1安防系統(tǒng)中主要單元的工作原理

檢測單元的兩個模塊中，防火模塊采用的傳感器有火焰，氣體，溫度，煙霧幾種類型，它作為災情信號的采集器，當發(fā)現災情后，將火情信號轉變?yōu)殡娦盘?，通過ZigBee無線網絡傳輸到控制中心FPGA上，經過控制中心的處理后，接通報警裝置，讓其發(fā)出報警信號；防盜模塊采用的傳感器是熱釋電紅外傳感器，其紅外發(fā)射頭可以向ZigBee節(jié)點上主動發(fā)出紅外信號，當人從中間經過時，紅外信號被人體反射回來，而ZigBee節(jié)點收不到信號，隨之其通過譯碼電路給控制中心發(fā)出低電平信號，控制中心FPGA收到低電平信號后，立刻作出相關措施。處理單元的具體工作是：接收從ZigBee網絡傳輸過來的數據經過UART232串口存儲到DE2-70開發(fā)板上的SDRAM中，然后系統(tǒng)從SDRAM中把數據讀取出來，需要顯示的數據，顯示在LCD上；同時需要處理的數據則輸到對應的電路中，實現報警。

1.2報警電路的工作原理

當ZigBee網絡傳輸過來的數據信號值，經過LCD顯示器顯示出來達到某一溫度值時，L1和L2端口為高電平，其中L1端口和DE2-70開發(fā)板上的發(fā)光二極管相連，L2端口對應設置到開發(fā)板上閑置的GPIO口上，GPIO口連接蜂鳴器，當溫度高于某值時，發(fā)光二極管和蜂鳴器就會發(fā)出聲光報警。

圖2報警模塊電路圖

2安防系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件是由各檢測單元的采集模塊和處理單元的處理模塊組成。最重要的片上系統(tǒng)SOPC的處理開發(fā)軟件是Nios II IDE，它同時也是Nios II軟核處理器的基本開發(fā)工具，所有編輯，編譯和調試程序都是在Nios II IDE下完成。這里我們采用的是：Altera公司推出的Nios II IDE，它不僅提供了功能很全的編譯器，而且還提供給了一個源代碼編輯器，IDE中集成的Flash編程器，能方便快速的固化軟件程序。整個程序包括的子模塊有：鍵盤，傳感器模塊，ZigBee網絡傳輸模塊，報警模塊等。傳感器信號經過信號調理電路傳送到ZigBee的節(jié)點上，通過其無線網絡送入DE2-70平臺選用的FPGA EP2C70F896C6N上進行檢測和處理，并且EP2C70F896C6N對連接ZigBee端口的輸入信號不斷掃描。若信號有異常，EP2C70F896C6N將信息保存，打包，同時發(fā)出報警。其系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3軟件程序流程圖

3結束語

該文提出的DE2-70平臺選用的FPGA EP2C70F896C6N是Altera公司的CycloneII系列產品之一，將FPGA應用在實驗室安防系統(tǒng)中，與單片機和其它芯片相比，有其獨具一格的優(yōu)勢。FPGA不僅內部時延特別小，而且是多處理器系統(tǒng)；在其平臺上所有的控制邏輯都是由硬件來完成，其內部使用專用的硬件加速器，這樣就特別適合進行大批量的高速數據傳輸控制；FPGA的組成形式靈活多樣，并且嵌入各種存儲資源，使系統(tǒng)容易獲得支持各種存儲器應用和數字信號處理的高性能，而且支持串行總線和網絡接口等各種通信協(xié)議，從而降低了系統(tǒng)的成本。其次，用ZigBee網絡進行無線通信的信號傳輸，由于ZigBee有功耗小、成本低、廣泛的工作頻段和網絡化結構等特點，不但在很大程度上減少了系統(tǒng)的設備量，而且便于系統(tǒng)靈活配置，快速移動；因此，基于以上論述的思想和技術，我們還要在深層次近一步探討圖像處理技術，指紋識別等實用性技術，使得其在具體的實驗室系統(tǒng)安防工作中發(fā)揮更加強大的功能和作用。

參考文獻：

[1]張志剛.FPGA與SOPC設計教程——DE2實踐[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007.

[2]周立功.SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[3]孫凱,程世恒.Nios II系統(tǒng)開發(fā)設計與應用實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[4]呂治安,ZigBee網絡原理與應用開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[5] Altera Corporation. Nios II Flash Programmer User Guide[Z].2009.