專利名稱：一種遠程實驗室控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種遠程實驗室控制器，屬于信息技術領域中遠程實驗室控制平臺。
背景技術：
隨著云計算的深入以及目前實驗室硬件設備價格的攀升，云實驗室也成為一種需求。用戶不需親臨實驗室，在遠程即可訪問實驗室內開發板以及實驗設備，并通過攝像頭觀看實驗結果。云實驗室中一個重要的設備是對實驗室中已有設備、開發板的遠程管理控制硬件平臺，該平臺可獲取設備的狀態信息，通過控制電源管理板完成對設備、開發板的上電/斷電；通過攝像頭向遠程客戶提供實驗室現場情況，便于用戶進行控制。目前遠程實驗室控制平臺，一般采用基于X86架構的服務器平臺，為用戶提供遠程訪問服務。圖像采集部分一般采用外置圖像采集卡，完成視頻圖像的采集，而視頻圖像的處理和壓縮傳輸均由服務器端處理器完成，這樣既增加了服務器的負擔，降低了性能，又增加了系統的成本。同時因為網絡帶寬的差異，視頻經常會有延時發生，不能實時觀看現場實驗的結果。同時目前基于X86的服務器平臺一般只提供1-2個串口接口，因此往往需要額外購買串口集線盒(Hub)，實現對多個開發板的訪問控制，但可擴展的串口的數量也是固定的。并且有些特殊接口往往需要定制轉接板，系統的局限性很大。

實用新型內容實用新型目的:針對現有技術中存在的問題與不足，本實用新型提供一種體積小、低成本、低功耗、配置靈活遠程實驗室控制器，其在單芯片內即可完成對實驗室中已有設備、開發板的遠程管理控制工作，該控制器可獲取實驗室設備或開發板的狀態信息，通過控制電源管理板完成對設備或開發板的上電/斷電；通過攝像頭向遠程客戶提供實驗室現場情況，便于用戶進行控制。技術方案:一種遠程實驗室控制器，其連接到實驗室內的開發板或儀器設備，用于遠程控制所述開發板或儀器設備，并可遠程觀看實驗現場視頻，該控制器包括:控制管理模塊、視頻圖像處理模塊、多用途接口模塊、電源管理模塊；所述控制管理模塊通過雙核處理器實現，雙核處理器包括第一處理器和第二處理器，其中所述第一處理器運行控制器所要求的操作系統，通過第一通用網絡接口完成與遠程用戶的信息交互并獲取網絡帶寬信息，所述第二處理器運行相應的控制管理規則，其脫離所述操作系統獨立運行，通過第二通用網絡接口與實驗室內的部分開發板或儀器設備連接，完成對所述部分開發板或儀器設備的控制管理，通過AXI Interconnect互聯矩陣對所述視頻圖像處理模塊、多用途接口模塊、電源管理模塊進行訪問，并從第一處理器中獲取實時網絡帶寬信息；其中第一通用網絡接口、第二通用網絡接口均為雙核處理器的片內外設；所述視頻圖像處理模塊通過與其相連的多個攝像頭采集實驗室內的高清圖像，并在所述視頻圖像處理模塊中完成視頻的拼接和縮放，將拼接和縮放后的視頻圖像通過AXIInterconnect互聯矩陣提供給控制管理模塊中的第二處理器，再由所述第二處理器送至第一處理器，并通過第一通用網絡接口傳送到遠程用戶；所述多用途接口模塊，提供可與實驗室內的另一部分開發板或儀器設備連接的接口；電源管理模塊與片外電源及傳感器擴展板連接，電源及傳感器擴展板提供各開發板或儀器設備的電源接口，并提供了物理開關用于對各個開發板或儀器設備電源的開啟/關斷，電源管理模塊對所述物理開關進行控制，其控制信號由用戶通過網絡傳遞給第二處理器；視頻圖像處理模塊、多用途接口模塊、電源管理模塊均由現場可編程門陣列(FPGA)實現；雙核處理器、AXI Interconnect互聯矩陣、現場可編程門陣列(FPGA)均在單一芯片內實現。所述視頻處理模塊可完成視頻圖像的預處理，其包括多個攝像頭視頻圖像的拼接，圖像的放大縮小，并可根據用戶帶寬的情況重配置壓縮算法模塊，以確保圖像傳輸的實時性。所述多用途接口模塊不僅提供多個串口、RS485、JTAG等通用接口，也可根據實驗室設備情況，增加或減少這些通用接口，并可增加相應專用接口，增加了系統的靈活性。所述電源管理模塊與溫度、電流、電壓傳感器連接，將各傳感器檢測到的各開發板或儀器設備的溫度、電流、電壓值交由第二處理器判斷所監控的所述開發板或儀器設備是否處于過載或短路的狀態，如所述開發板或儀器設備處于過載或短路，及時切斷其電源。有益效果:在單芯片中實現的控制器其功耗一般不超過10瓦，而基于服務器的設計方案系統功耗一般都在100瓦以上。因此本實用新型提供的遠程實驗室控制器在功耗上也實現了大量的降低。

圖1為本實用新型實施例的系統結構框圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例，進一步闡明本實用新型，應理解這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍，在閱讀了本實用新型之后，本領域技術人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。本實施例的遠程實驗室控制器的結構如圖1所示，其連接到實驗室內的開發板或儀器設備，用于遠程控制所述開發板或儀器設備，并可遠程觀看實驗現場視頻，該控制器包括:控制管理模塊1、視頻圖像處理模塊2、多用途接口模塊3、電源管理模塊4。視頻圖像處理模塊2、多用途接口模塊3、電源管理模塊4，均由現場可編程門陣列FPGA實現；雙核處理器、現場可編程門陣列FPGA均在單一芯片內實現。優選地，本實用新型的遠程實驗室控制器基于賽靈思公司的Zynq系列可編程SOC實現。Zynq可編程SOC中包括雙核處理器ARM Cortex_A9與現場可編程門陣列(FPGA)。Cortex-A9在Zynq中可達到1GHz, FPGA與Cortex_A9在片內的融合可實現高數據帶寬的傳輸，低功耗以及靈活的配置。控制管理模塊I在雙核處理器上完成，雙核處理器包括第一處理器11和第二處理器12，其中第一處理器11運行控制器所要求的操作系統，通過第一通用網絡接口 111完成與遠程用戶的信息交互并獲取網絡帶寬信息，第二處理器12運行相應的控制管理規則，其脫離所述操作系統獨立運行，通過第二通用網絡接口 121與實驗室內的部分開發板或儀器設備連接，完成對所述部分開發板或儀器設備的控制管理，通過AXI Interconnect互聯矩陣對所述視頻圖像處理模塊2、多用途接口模塊3、電源管理模塊4進行訪問，并從第一處理器11中獲取實時網絡帶寬信息；其中第一通用網絡接口 111、第二通用網絡接口 121均為雙核處理器的片內外設，兩個千兆通用網絡接口 111、121為以太網絡接口(GE)均通過片內的AMBA Switch與雙核處理器進行數據交互。同時zynq提供外接DDR2控制器與Flash控制器，DDR2主要提供操作系統運行的存儲空間，Flash中主要存儲BOOT文件以及FPGA的配置文件。視頻圖像處理模塊2在FPGA中實現，其通過與其相連的多個攝像頭采集實驗室內的高清圖像，并在所述視頻圖像處理模塊中完成視頻的拼接和縮放。其提供AXI接口，并通過AXI Interconnect互聯矩陣與雙核處理器互聯，遠程用戶通過網絡將控制信息傳遞給雙核處理器，處理器獲得用戶控制信息后，將此信息通過AXI Interconnect互聯矩陣輸出至視頻處理模塊。該模塊可根據用戶的指令，利用其內部的視頻縮放硬件IP核，直接完成1080P高清視頻的放大、縮小而無須處理器參與。同時根據第一處理器11反饋的網絡帶寬信息，可重配置不同的視頻壓縮算法，如網絡情況較好，可以利用H.264直接壓縮成高清視頻，如網絡情況較差，可利用Motion JPEG算法，以及上述視頻縮放硬件IP核，縮小視頻尺寸，通過損失視頻尺寸和清晰度來確保視頻傳輸實時性，從而確保遠程用戶觀看到低延時的視頻傳送。其將拼接和縮放后的視頻圖像通過AXI Interconnect互聯矩陣提供給控制管理模塊中的第二處理器12，再由所述第二處理器12送至第一處理器11，并通過第一通用網絡接口 111傳送到遠程用戶。該遠程視頻服務通過片內的處理器與FPGA協同工作，在單芯片內即可高速的完成視頻的傳輸，視頻的縮放處理等，取代了視頻采集卡，視頻服務器等設備，降低了設備成本，減少了系統功耗。上述模塊中用到了一種新的FPGA配置方式，稱為部分可重配置技術(PartialReconfiguration)，其區別于以往的FPGA配置技術。通過該技術不需對整個FPGA進行可重配置，只需劃分出FPGA內相應區域，只對該部分FPGA邏輯進行重配置，這樣可保證FPGA內其他模塊正常工作不受影響。劃分出的部分重配置模塊的配置bit文件可預存在片外Flash中，也可由用戶通過網絡輸入；如上述視頻處理中的視頻壓縮算法模塊的變化就利用了該技術。多用途接口模塊3，提供可與實驗室內的另一部分開發板或儀器設備連接的接口。在本實用新型中，多用途接口模塊也采用了上述技部分可重配置技術。多用途接口模塊主要提供了多個串口、RS485以及JTAG等常用接口，通過這些接口可與相應的開發板、儀器設備連接，采集信息，傳輸控制命令。多用途接口模塊部分也預留了一塊部分可重配置邏輯，可根據實驗室現場情況，增加或減少串口等常用接口數目，同時也可用于添加專用接口，如CAN, IIC或用戶自定制數據通信接口。電源管理模塊4，根據遠程用戶的指令對各個開發板或實驗室設備的電源開關進行操作。在本實用新型中，電源管理模塊與片外電源及傳感器擴展板結合使用。電源及傳感器擴展板主要提供了各種設備、開發板的電源接口，并提供了物理開關用于對各個開發板、設備電源的開啟/關斷，其控制信號由用戶通過網絡傳遞給第二處理器12，由第二處理器12通過AXI Interconnect互聯矩陣輸出給電源管理模塊，完成電源開啟/關斷的控制。同時擴展板上還提供了紅外溫度傳感器以及電流、電壓測量。所述的電源管理模塊4，將檢測到的各開發板或儀器設備的溫度、電流、電壓值交由第二處理器12判斷所監控的所述開發板或儀器設備是否處于過載或短路的狀態，如所述開發板或儀器設備處于過載或短路，及時切斷其電源。綜上，本實用新型提出了一種新型的遠程實驗室控制器，該控制器將以往通過PC機、服務器，串口 Hub等設備集成的系統集成至單個芯片中，實現了系統的小型化，這樣的小型化能將控制板直接集成至開發板陣列機架中，明顯減少了系統的空間占用。同時Zynq系列器件的功耗在10瓦以下，而基于X86架構的服務器和其他外接視頻采集卡，串口集線器等的傳統方案功耗一般都在100瓦以上，因此本實用新型的遠程實驗室控制器，其功耗也有顯著降低。本控制器結合處理器以及FPGA邏輯實現在線可重配置技術，可根據網絡帶寬情況，在線改變視頻壓縮算法硬件，確保傳輸的實時性；并根據現場接口情況，靈活增加或減少專用接口，顯著增加了系統的靈活性。
權利要求1.一種遠程實驗室控制器，其連接到實驗室內的開發板或儀器設備，用于遠程控制所述開發板或儀器設備，進行遠程觀看實驗現場視頻，其特征在于:所述控制器包括控制管理模塊、視頻圖像處理模塊、多用途接口模塊和電源管理模塊； 所述控制管理模塊由雙核處理器完成，雙核處理器包括第一處理器和第二處理器，其中所述第一處理器運行控制器所要求的操作系統，通過第一通用網絡接口完成與遠程用戶的信息交互并獲取網絡帶寬信息，所述第二處理器運行相應的控制管理規則，其脫離所述操作系統獨立運行，通過第二通用網絡接口與實驗室內的部分開發板或儀器設備連接，完成對所述部分開發板或儀器設備的控制管理，通過AXI Interconnect互聯矩陣對所述視頻圖像處理模塊、多用途接口模塊、電源管理模塊進行訪問，并從第一處理器中獲取實時網絡帶寬信息；其中第一通用網絡接口和第二通用網絡接口均為雙核處理器的片內外設； 視頻圖像處理模塊通過與其相連的多個攝像頭采集實驗室內的圖像，并在所述視頻圖像處理模塊中完成視頻圖像的拼接和縮放，將拼接和縮放后的視頻圖像通過AXIInterconnect互聯矩陣提供給控制管理模塊中的第二處理器，再由所述第二處理器送至第一處理器，并通過第一通用網絡接口傳送到遠程用戶； 多用途接口模塊，提供與實驗室內的另一部分開發板或儀器設備連接的接口 ； 電源管理模塊與片外電源及傳感器擴展板連接，電源及傳感器擴展板提供各開發板或儀器設備的電源接口，并提供了物理開關用于對各個開發板或儀器設備電源的開啟/關斷，電源管理模塊對所述開關進行控制，其控制信號由用戶通過網絡傳遞給第二處理器；視頻圖像處理模塊、多用途接口模塊和電源管理模塊均由現場可編程門陣列實現；雙核處理器、AXI Interconnect互聯矩陣和現場可編程門陣列均在單一芯片內實現。
2.如權利要求1所述的遠程實驗室控制器，其特征在于:所述的視頻圖像處理模塊，根據實時網絡帶寬信息加載不同的圖像壓縮硬件模塊，當網絡帶寬較高時，在保證圖像傳輸實時性的同時，壓縮并傳輸清晰的圖像；當網絡帶寬較低時，采用壓縮比更高的圖像壓縮硬件模塊。
3.如權利要求1所述的遠程實驗室控制器，其特征在于:所述的多用途接口模塊根據實驗環境現場增加或減少串口模塊，同時也動態地在FPGA片內增加RS485和/或JTAG接口，并現場重配置。
4.如權利要求1所述的遠程實驗室控制器，其特征在于:所述電源管理模塊與溫度、電流、電壓傳感器連接，將溫度、電流、電壓傳感器檢測到的各開發板或儀器設備的溫度、電流、電壓值交由第二處理器判斷所監控的所述開發板或儀器設備是否處于過載或短路的狀態，如所述開發板或儀器設備處于過載或短路，及時切斷其電源。
專利摘要本實用新型公開了一種遠程實驗室控制器，其在單芯片內即可完成遠程實驗室控制以取代以往的通過服務器等設備實現的架構。該架構主要包括控制管理模塊，視頻處理模塊，多用途接口模塊，電源管理模塊。其中控制管理模塊運行在片內雙核處理器上，視頻處理模塊、多用途接口模塊、電源管理模塊運行在片內現場可編程門陣列(FPGA)上。軟硬件協同工作，可遠程實現實驗環境現場多個設備、開發板的訪問控制，視頻觀看等功能，同時該控制器可提供可重配置功能確保視頻傳輸的實時性，同時滿足各種專用接口的需求。本實用新型由于采用上述架構設計，具有體積小，功耗、成本降低，同時系統靈活性得到極大提高。
文檔編號G05B19/042GK203025508SQ20122067658
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者吳幸, 孫立濤 申請人:東南大學