Tích hợp dịch vụ đo và kiểm soát từ xa sử dụng FPGA

Đào Ngọc Tôn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 99(11): 91 - 96<br /> <br /> TÍCH HỢP DỊCH VỤ ĐO VÀ KIỂM SOÁT TỪ XA SỬ DỤNG FPGA<br /> Đào Ngọc Tôn1, Nguyễn Phương Huy1, Nguyễn Thanh Hà2*<br /> 1<br /> <br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên<br /> 2<br /> Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo trình bày phương pháp tích hợp các thuật toán đo và điều khiển vào chip FPGA cho đo và<br /> giám sát tòa nhà thông minh qua mạng máy tính. Ở đây các quá trình đo, phần mềm xử lý, các bộ<br /> vi xử lý, các thuật toán điều khiển… được tích hợp vào một file và được nạp vào FPGA theo<br /> hướng SOC (System On Chip).<br /> Từ khóa: FPGA, SOC, nhà thông minh<br /> <br /> MỞ ĐẦU*<br /> Trong những năm gần đây, công nghệ mạng<br /> đã có những bước phát triển vượt bậc. Trong<br /> tương lai rất gần, các dịch vụ truyền tin, điều<br /> khiển, giám sát… sẽ được tích hợp trên nền<br /> mạng Internet.<br /> Hệ thống giám sát và điều khiển từ xa qua<br /> Ethernet dùng FPGA là một hệ thống số hoàn<br /> chỉnh trên FPGA bao gồm các IP logic (hay<br /> các khối logic) tự thiết kế, các IP cung cấp<br /> sẵn, lõi Vi xử lý mềm MicroBlaze [5,8] cùng<br /> với các hệ điều hành khác. Sau khi hoàn<br /> chỉnh, hệ thống sẽ cần xử lý một khối lượng<br /> công việc khá lớn như tổng hợp, thu thập dữ<br /> liệu, giám sát và xử lý tệp sau đó truyền đi<br /> qua giao thức TCP/IP với sự hỗ trợ của các hệ<br /> điều hành [1,5,6]. Bên cạnh đó là việc nhận<br /> và xử lý các tín hiệu điều khiển thiết bị của<br /> người dùng từ phía giao diện web. Để giải<br /> quyết những công việc như vậy, khối logic<br /> xây dựng với mã VHDL đóng vai trò là một<br /> IP logic trong hệ nhúng với vi xử lý<br /> MicroBlaze. Tất cả việc xử lý, sự kiện điều<br /> khiển, truyền trang web được xây dựng trên<br /> hệ điều hành khác nhau...<br /> Việc tích hợp các thiết bị trong một môi<br /> trường hỗn hợp đa phương tiện cho phép xử<br /> lý các thông tin hợp nhất (âm thanh, hình ảnh,<br /> số liệu) áp dụng trong một phạm vi rất rộng<br /> lớn như thông tin gia dụng, các ứng dụng hiện<br /> trường, điều khiển công nghiệp đã và đang có<br /> yêu cầu lớn. Từ các ngành cơ khí, hoá chất,<br /> năng lượng… cho đến các thiết bị di động<br /> *<br /> <br /> Tel: 0913 073591, Email: nguyenthanhha@tnut.edu.vn<br /> <br /> nhỏ gọn với tính năng thông minh rất cao là<br /> minh chứng cho thấy các công nghệ, đặc biệt<br /> là các công nghệ cao ngày càng đáp ứng đầy<br /> đủ các yêu cầu khắt khe của con người<br /> [1,2,4,5].<br /> Trong bài báo này, các tác giả trình bày một<br /> phương pháp tích hợp các thuật toán đo và<br /> điều khiển vào chip FPGA ứng dụng trong<br /> việc đo lường và giám sát tòa nhà thông minh<br /> qua mạng máy tính. Bài báo bao gồm các<br /> phần: i) Mở đầu, ii) Phân tích hệ thống, iii)<br /> Các công cụ phát triển, iv) Hệ nhúng với<br /> MicroBlaze và các hệ điều hành trên FPGA, v)<br /> Thiết kế hệ thống và ứng dụng, vi) Kết luận.<br /> PHÂN TÍCH HỆ THỐNG<br /> Nhu cầu quản lý tòa nhà thông minh<br /> Một hệ thống nhà thông minh phải có các hệ<br /> thống An ninh- An toàn, Chiếu sáng, Điều<br /> khiển nhiệt độ - Quản lý năng lượng, hệ thống<br /> âm thanh, Video - Camera giám sát, Chuông<br /> cửa có hình, Rèm tự động, Bơm bể bơi, Bơm<br /> tưới, và các hệ thống khác theo yêu cầu. Để<br /> điều khiển hệ thống trên thì chi phí vận hành<br /> các máy móc thiết bị cao và dường như đã<br /> vượt quá tầm kiểm soát. Chịu ảnh hưởng từ<br /> những tác động của việc tăng chi phí sử dụng<br /> năng lượng, các yêu cầu về thân thiện với môi<br /> trường, thiết bị và nhân lực làm việc với hiệu<br /> suất thấp, các nhà quản lý đang tìm kiếm các<br /> giải pháp có thể giúp họ quản lý và vận hành<br /> các máy móc thiết bị một cách tiết kiệm và<br /> hiệu quả nhất [3,4].<br /> Các thiết bị, hệ thống cần quản lý<br /> Các thiết bị, hệ thống cần quản lý được mô tả<br /> trong hình 1 bao gồm:<br /> 91<br /> <br /> Đào Ngọc Tôn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> - Hệ thống điều khiển nhiệt độ, quản lý<br /> năng lượng<br /> - Hệ thống điều khiển chiếu sáng<br /> - Hệ thống âm thanh<br /> - Hệ thống camera giám sát<br /> - Hệ thống an ninh<br /> - Hệ thống điện thoại<br /> - Hệ thống tưới vườn tự động và điều khiển<br /> rèm cửa<br /> - Hệ thống bể bơi và spa<br /> - Truy cập và điều khiển từ Internet<br /> <br /> Hình 1. Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh<br /> <br /> Hệ thống được xây dựng với hai chức năng<br /> chính là giám sát và điều khiển tòa nhà từ xa<br /> qua Internet. Sau khi phân tích các điều kiện<br /> khả thi và các chức năng của hệ thống một<br /> cách chi tiết, hệ thống được xây dựng dựa<br /> trên nền tảng thiết kế logic trên FPGA với các<br /> chức năng như sau:<br /> - Cung cấp dịch vụ Web server.<br /> - Điều khiển các thiết bị điện qua giao diện<br /> web, các thiết bị này có thể kết nối trực tiếp<br /> tới hệ thống qua dây hoặc không dây.<br /> - Giao tiếp các cảm biến để cho phép theo dõi<br /> được nhiệt độ nơi cần giám sát.<br /> - Có khả năng mở rộng thêm với các chức<br /> năng khác cho hệ thống.<br /> Bên cạnh các yêu cầu chức năng của hệ thống<br /> là các yêu cầu về tính hiệu năng của hệ<br /> thống, môi trường hoạt động, các yêu cầu<br /> về bảo mật…<br /> CÁC CÔNG CỤ PHÁT TRIỂN<br /> Chip FPGA dùng để phát triển hệ thống được<br /> trình bày trong bài báo này là chip của hãng<br /> 92<br /> <br /> 99(11): 91 - 96<br /> <br /> Xilinx cung cấp, do đó toàn bộ môi trường<br /> phát triển và công cụ phát triển hệ thống<br /> logic trên FPGA là phần mềm của hãng<br /> Xilinx, bao gồm:<br /> - Xilinx EDK (Embedded Development Kit):<br /> Công cụ phát triển hệ thống nhúng trên FPGA.<br /> Công cụ này được coi là công cụ thiết kế và<br /> phát triển hệ thống logic trên FPGA, cho phép<br /> cung cấp một hệ vi xử lý hoàn chỉnh trên<br /> FPGA gồm các IP logic và vi xử lý.<br /> Xilinx<br /> ISE<br /> (Integrated<br /> Software<br /> Environment): công cụ phần mềm môi trường<br /> tích hợp. Công cụ này được coi là công cụ<br /> thiết kế và phát triển các IP logic người dùng,<br /> các IP logic này đã được định nghĩa khi đưa<br /> ra thiết kế hệ thống logic với Xilinx EDK.<br /> Bên cạnh đó, quá trình thiết kế và phát triển<br /> các IP logic đòi hỏi công cụ mô phỏng logic<br /> để kiểm tra các đặc tính, dạng sóng của tín<br /> hiệu vào ra của khối logic đang được phát<br /> triển có đúng theo đặc tả thiết kế hay không.<br /> Trong bài báo này, công cụ mô phỏng được<br /> sử dụng là phần mềm ModelSimXE.<br /> Một công cụ quan trọng được sử dụng trong<br /> đề tài là công cụ phát triển phần mềm nhúng<br /> uClinux-PetaLinux của hãng PetaLogix, cũng<br /> như các hệ điều hành khác. Công cụ này cho<br /> phép nhúng hệ điều hành lên trên nền tảng<br /> phần cứng đã xây dựng trên FPGA, điều<br /> khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống và cung<br /> cấp các phần mềm ứng dụng dựa trên chức<br /> năng mong muốn của hệ thống.<br /> Công cụ cuối cùng dùng trong đề tài là phần<br /> mềm thiết kế mạch Orcad của hãng Calence.<br /> Công cụ này cho phép thiết kế các mạch mở<br /> rộng cho chip FPGA giúp kết nối hệ thống<br /> logic trên chip FPGA với các thiết bị bên<br /> ngoài theo yêu cầu chức năng của hệ thống<br /> HỆ NHÚNG VỚI MICROBLAZE VÀ CÁC<br /> HỆ ĐIỀU HÀNH TRÊN FPGA<br /> Một hệ thống FPGA hoàn chỉnh là một hệ<br /> thống logic bao gồm nhiều IP logic, tuy nhiên<br /> để kết hợp và điều khiển các IP đó với nhau<br /> tạo thành một hệ thống có chức năng mong<br /> muốn lại đòi hỏi cần có một Vi điều khiển<br /> trung tâm và phần mềm nhúng. Chương này<br /> sẽ trình bày về hai thành phần quan trọng<br /> <br /> Đào Ngọc Tôn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> trong hệ thống để thực hiện công việc này, đó<br /> là Vi điều khiển MicroBlaze - Vi điều khiển<br /> mềm của Xilinx và bộ công cụ nhúng hệ<br /> điều hành.<br /> Vi xử lý MicroBlaze<br /> Vi xử lý MicroBlazeTM là một hệ Vi điều<br /> khiển RISC, dạng lõi vi xử lý mềm, được<br /> thiết kế tối ưu cho chip FPGA của Xilinx®. Sơ<br /> đồ khối chức năng của lõi MicroBlaze được<br /> biểu diễn trên hình 2.<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối chức năng của MicroBlaze<br /> <br /> MicroBlaze có cấu trúc tương tự như các Vi<br /> điều khiển RISC 32 bit thông thường, bao<br /> gồm các khối chức năng chính như: ALU,<br /> giải mã lệnh, các thanh ghi đặc biệt, tệp thanh<br /> ghi, bộ đếm chương trình, bus lệnh và bus địa<br /> chỉ. Bên cạnh những khối chức năng cố định<br /> thì với đặc tính mềm, MicroBlaze cho phép<br /> tùy chọn các khối chức năng: đệm lệnh, đệm<br /> dữ liệu, bộ nhân, bộ chia, bộ dịch, bộ xử lý<br /> dấu phẩy động FPU. Điều này cho phép cấu<br /> hình linh động MicroBlaze theo các thiết kế<br /> có yêu cầu, đặc trưng riêng. Quá trình xử lý<br /> lệnh theo kiến trúc đường ống, hầu hết các<br /> lệnh của nó thực hiện trong một chu kỳ đồng<br /> hồ. Quá trình xử lý lệnh được chia làm 3 giai<br /> đoạn: nhận lệnh (Fetch), giải mã lệnh<br /> (Decode), thi hành lệnh (Execute).<br /> Phát triển trình điều khiển trên các lõi hệ<br /> điều hành<br /> Để ứng dụng của hệ điều hành có thể giao<br /> tiếp với các thiết bị phần cứng, cần có một<br /> tầng ứng dụng trung gian giữa ứng dụng của<br /> hệ điều hành và các thiết bị gọi là trình điều<br /> khiển, nó có nhiệm vụ xây dựng các API mức<br /> cao giao tiếp với ứng dụng trên hệ điều hành<br /> và chuyển thành các lệnh giao tiếp bậc thấp<br /> <br /> 99(11): 91 - 96<br /> <br /> dạng vào ra cơ sở cho các thiết bị phần cứng.<br /> Vì uClinux tuân theo các quy ước của Unix,<br /> mọi thứ được thực hiện qua tệp. Do đó phần<br /> cứng được địa chỉ hóa qua một tệp có liên<br /> quan đến thiết bị gọi là tệp thiết bị. Có ba loại<br /> trình điều khiển thông dụng tương ứng cho ba<br /> loại thiết bị thông dụng:<br /> - Trình điều khiển ký tự (character drivers):<br /> điều khiển thiết bị dòng dữ liệu mà chỉ có thể<br /> được truy cập một cách tuần tự, và các trình<br /> điều khiển truy cập các thiết bị này thông qua<br /> tệp thiết bị như “dev/ttyS0” dành cho trình<br /> điều điều khiển cổng com.<br /> - Trình điều khiển khối (block drivers): truy<br /> cập các khối dữ liệu, chúng cho phép truy cập<br /> ngẫu nhiên, truy cập qua bộ đệm hệ thống, và<br /> truy cập qua tệp thiết bị như “/dev/hda” dành<br /> cho trình điều khiển ổ cứng.<br /> - Trình điều khiển mạng (network drivers):<br /> điều khiển thiết bị hướng gói tin. Các thiết bị<br /> này nhận và truyền các gói tin cũng như truy<br /> cập qua các dịch vụ mạng. Thiết bị mạng truy<br /> cập thông qua định danh duy nhất, như “eth0”.<br /> THIẾT KẾ HỆ THỐNG<br /> Quy trình thiết kế hệ thống<br /> Dựa trên quy trình thiết kế của Xilinx, quy<br /> trình thiết kế VHDL, quy trình thiết kế hệ<br /> nhúng. Trình tự thiết kế cho hệ thống được<br /> chỉ ra trên hình 3 bao gồm.<br /> (1) Xây dựng hệ thống logic - nền tảng phần<br /> cứng của hệ thống, công việc này được thực<br /> hiện trên công cụ Xilinx EDK.<br /> (2) Thiết kế phần mềm nhúng cho hệ thống<br /> bằng công cụ uClinux-Petalinux đã trình bày<br /> trong phần 3<br /> Thiết kế mạch mở rộng cho hệ thống<br /> <br /> Hình 3. Quy trình thiết kế hệ thống<br /> <br /> 93<br /> <br /> Đào Ngọc Tôn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 99(11): 91 - 96<br /> <br /> các lĩnh vực của đời sống. Việc lựa chọn công<br /> nghệ sao cho hợp lý, giảm chi phí và có thể<br /> thiết lập được nhiều chức năng là một trong<br /> những yêu cầu cần thiết. Các thiết bị đo lường<br /> và điều khiển cho hệ thống tòa nhà khi kết nối<br /> vào FPGA được thực hiện trên cơ sở môi<br /> trường phát triển của KIT Spartan 3E. Các kết<br /> nối vào/ra có thể thực hiện trên:<br /> - Các chân J1, J2, J3,…<br /> - 100 chân (100 pins Hirose) trên hình 5<br /> Hình 4. Sơ đồ khối nền tảng phần cứng<br /> <br /> Một hệ thống hoàn chỉnh sẽ bao gồm: nền<br /> tảng phần cứng- hệ thống logic bao gồm các<br /> IP logic cùng vi xử lý hợp thành hệ vi xử lý<br /> nằm trên chip FPGA, hệ điều hành- hệ thống<br /> tệp thực thi điều khiển toàn bộ hệ thống logic,<br /> các mạch mở rộng phụ trợ cho chip FPGA kết<br /> nối tới thiết bị bên ngoài. Cuối cùng, nạp tệp<br /> cấu hình, tệp thực thi xuống FPGA và kết nối<br /> các mạch mở rộng cho hệ thống, có sản phẩm là<br /> một hệ thống logic có chức năng mong muốn.<br /> Sơ đồ khối phần cứng<br /> Hệ thống phần cứng xây dựng trong bài báo<br /> là một hệ Vi điều khiển hoàn chỉnh bao gồm<br /> CPU, RAM, ROM, các khối logic. Mỗi khối<br /> logic đều có chức năng riêng biệt đảm bảo<br /> cung cấp đầy đủ các chức năng riêng rẽ cho<br /> hệ thống, bên cạnh những khối logic dùng sẵn<br /> là các khối logic xây dựng mới bao gồm:<br /> - Vi xử lý MicroBlaze<br /> - Khối điều khiển DDR SDRAM<br /> - Khối điều khiển FLASH ROM<br /> - Khối Ethernet MAC<br /> - Khối UART<br /> - Khối bộ định thời<br /> - Khối điều khiển ngắt<br /> - Khối điều khiển GPIO<br /> Các khối giao tiếp cảm biến<br /> Toàn bộ hệ các khối logic trong hệ thống giao<br /> tiếp với vi xử lí qua bus PLB, đóng vai trò là<br /> tuyến kết nối dữ liệu, tín hiệu điều khiển, tín<br /> hiệu địa chỉ cho toàn bộ nền tảng phần cứng<br /> của hệ thống.<br /> Thử nghiệm hệ thống đo và giám sát qua<br /> internet trên FPGA<br /> Các hệ thống đo và giám sát trên cơ sở mạng<br /> internet đang ngày một gia tăng trong tất cả<br /> 94<br /> <br /> Hình 5. Các giao tiếp với các thiết bị ngoài với<br /> KIT Spartan 3E<br /> <br /> Thiết kế phần mềm<br /> Toàn bộ phần mềm của hệ thống xây dựng<br /> trên môi trường hệ điều hành uClinuxpetalinux. Đây là hệ điều hành đa tác vụ, do<br /> đó khi xây dựng các phần mềm ứng dụng,<br /> người dùng không gặp nhiều khó khăn về<br /> việc chia sẻ tài nguyên hệ thống cũng như khả<br /> năng xử lý công việc phức tạp của các module<br /> chương trình. Từ chương trình lõi là hệ điều<br /> hành khác hoặc uClinux, các module phần<br /> mềm ứng dụng sẽ được gọi và xử lý. Phần<br /> mềm của hệ thống bao gồm các module như<br /> sLõi uClinux hay hệ điều hành khác: chương<br /> trình lõi hệ điều hành Linux, chạy cùng thống<br /> từ khi cấp điện và nạp cấu hình cho FPGA.<br /> - Web server: chương trình phục vụ web,<br /> cung cấp giao diện người dùng qua trang web<br /> nhúng trên tệp hệ thống của hệ điều hành.<br /> - Điều khiển thiết bị: chương trình điều khiển<br /> bật, tắt các thíết bị kết nối tới hệ thống qua<br /> mạch điều khiển.<br /> - Giao tiếp DS1820: chương trình giao tiếp<br /> với cảm biến<br /> Giao diện người dùng<br /> Giao diện người dùng là một trang web chính,<br /> nội dung trang web chính bao gồm các thành<br /> <br /> Đào Ngọc Tôn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> phần chức năng của hệ thống: khung ảnh<br /> MJPEG chứa hình ảnh khu vực cần quan sát,<br /> bộ nút điều khiển hướng chuyển động<br /> camera, bộ bật tắt thiết bị, text box hiển thị<br /> thời gian và nhiệt độ.<br /> <br /> Hình 6: Các module chương trình thiết kế<br /> trên uClinux<br /> <br /> Hình 7. Giao diện người dùng của hệ thống<br /> <br /> Mỗi thành phần đó là một trang web nhỏ,<br /> được tải vào các khung trên giao diện trang<br /> web chính. Nội dung toàn bộ các trang web<br /> và ảnh liên quan lưu trong thư mục httpd của<br /> web server:<br /> - Tệp index.html: trang web chính, cung cấp<br /> giao diện người dùng đầy đủ các chức năng.<br /> Thư mục html: chứa các trang web nhỏ, bao<br /> gồm control.html-giao diện điều khiển thiết<br /> bị,<br /> dummy.htmlgiao<br /> diện<br /> giả,<br /> <br /> 99(11): 91 - 96<br /> <br /> temperature.html- giao diện nhiệt độ hệ<br /> thống.<br /> - Thư mục cgi-bin: chứa các tệp thực thi,<br /> control.cgi- điều khiển các thiết bị.<br /> KẾT LUẬN<br /> Bài báo trình bầy một phương pháp thiết kế<br /> hệ đo, xử lý và điều khiển tích hợp vào công<br /> nghệ FPGA qua hệ thống mạng. Hệ thống này<br /> được ứng dụng cho giám sát tòa nhà thông<br /> minh từ xa qua mạng Internet. Đây là một<br /> hướng nghiên cứu mới, rất có ý nghĩa trong<br /> đo lường và điều khiển và xây dựng và thiết<br /> kế các hệ nhúng. Tiếp cận trên cho phép khai<br /> thác được thế mạnh của kỹ thuật lập trình<br /> (đưa được trí tuệ của con người vào hệ thống)<br /> và phần cứng của công nghệ<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Le Ba Dung, Bui Nguyen Dai: A real time<br /> multitasking operating software based on IBM<br /> PC for data acquisition, processing and control.<br /> The Sixth National Conference on Automation<br /> VICA 6, Hà nội, 2005.<br /> [2]. Lê Bá Dũng, Báo cáo đề tài “Thiết kế Bộ xử<br /> lý chuyên dụng cho đo lường và điều khiển”. Viện<br /> KH&CN Việt nam 2009.<br /> [3]. Hệ thống quản lý tòa nhà (IBMS). Nguồn:<br /> http://www.ibs.com.vn<br /> [4]. Nguyễn Thanh Hà, Hệ thống báo cháy tòa nhà<br /> thông qua mạng điện thoại, Tạp chí KHCN 52(4) Đại học Thái nguyên tháng 4 - 2009 - Tr 38-40<br /> [5]. Mentor Graphics Corporation (2007,<br /> September). ModelSim Tutorial [Online].<br /> Available: http://www.mentor.com<br /> [6]. Xilinx (2008, September 18). EDK Concepts,<br /> Tools, and Techniques [Online]. Available:<br /> http://www.xilinx.com<br /> [7]. Xilinx (2008, September 18). ISE 10.1 Quick<br /> Start<br /> Tuorial<br /> [Online].<br /> Available:<br /> http://www.xilinx.com<br /> Xilinx (2008, July 14). MicroBlaze Processor<br /> Reference Guide [Online].<br /> Available:<br /> http://www.xilinx.com.<br /> <br /> 95<br /> <br />