專利名稱：一種遠程實驗室控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種遠程實驗室控制器，屬于信息技術(shù)領(lǐng)域中遠程實驗室控制平臺。
背景技術(shù)：
隨著云計算的深入以及目前實驗室硬件設(shè)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(nèi)開發(fā)板以及實驗設(shè)備，并通過攝像頭觀看實驗結(jié)果。云實驗室中一個重要的設(shè)備是對實驗室中已有設(shè)備、開發(fā)板的遠程管理控制硬件平臺，該平臺可獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，通過控制電源管理板完成對設(shè)備、開發(fā)板的上電/斷電；通過攝像頭向遠程客戶提供實驗室現(xiàn)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(gòu)的服務(wù)器平臺，為用戶提供遠程訪問服務(wù)。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(wù)器端處理器完成，這樣既增加了服務(wù)器的負擔，降低了性能，又增加了系統(tǒng)的成本。同時因為網(wǎng)絡(luò)帶寬的差異，視頻經(jīng)常會有延時發(fā)生，不能實時觀看現(xiàn)場實驗的結(jié)果。同時目前基于X86的服務(wù)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(xiàn)對多個開發(fā)板的訪問控制，但可擴展的串口的數(shù)量也是固定的。并且有些特殊接口往往需要定制轉(zhuǎn)接板，系統(tǒng)的局限性很大。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，本發(fā)明提供一種體積小、低成本、低功耗、配置靈活遠程實驗室控制器，其在單芯片內(nèi)即可完成對實驗室中已有設(shè)備、開發(fā)板的遠程管理控制工作，該控制器可獲取實驗室設(shè)備或開發(fā)板的狀態(tài)信息，通過控制電源管理板完成對設(shè)備或開發(fā)板的上電/斷電；通過攝像頭向遠程客戶提供實驗室現(xiàn)場情況，便于用戶進行控制。技術(shù)方案一種遠程實驗室控制器，其連接到實驗室內(nèi)的開發(fā)板或儀器設(shè)備，用于遠程控制所述開發(fā)板或儀器設(shè)備，并可遠程觀看實驗現(xiàn)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(xiàn)，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(tǒng)，通過第一通用網(wǎng)絡(luò)接口完成與遠程用戶的信息交互并獲取網(wǎng)絡(luò)帶寬信息，所述第二處理器運行相應(yīng)的控制管理規(guī)則，其脫離所述操作系統(tǒng)獨立運行，通過第二通用網(wǎng)絡(luò)接口與實驗室內(nèi)的部分開發(fā)板或儀器設(shè)備連接，完成對所述部分開發(fā)板或儀器設(shè)備的控制管理，通過AXI Interconnect互聯(lián)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(wǎng)絡(luò)帶寬信息；其中第一通用網(wǎng)絡(luò)接口、第二通用網(wǎng)絡(luò)接口均為雙核處理器的片內(nèi)外設(shè)；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(nèi)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(lián)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)的另一部分開發(fā)板或儀器設(shè)備連接的接口 ；電源管理模塊，根據(jù)遠程用戶的指令對各個開發(fā)板或?qū)嶒炇以O(shè)備的電源開關(guān)進行操作；視頻圖像處理模塊、多用途接口模塊、電源管理模塊，均由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)；雙核處理器、AXI Interconnect互聯(lián)矩陣、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)均在單一芯片內(nèi)實現(xiàn)。所述視頻處理模塊可完成視頻圖像的預(yù)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(jù)用戶帶寬的情況重配置壓縮算法模塊，以確保圖像傳輸?shù)膶崟r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(jù)實驗室設(shè)備情況，增加或減少這些通用接口，并可增加相應(yīng)專用接口，增加了系統(tǒng)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(fā)板 或儀器設(shè)備的溫度、電流、電壓值交由第二處理器判斷所監(jiān)控的所述開發(fā)板或儀器設(shè)備是否處于過載或短路的狀態(tài)，如所述開發(fā)板或儀器設(shè)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(xiàn)的控制器其功耗一般不超過10瓦，而基于服務(wù)器的設(shè)計方案系統(tǒng)功耗一般都在100瓦以上。因此本發(fā)明提供的遠程實驗室控制器在功耗上也實現(xiàn)了大量的降低。


圖I為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。本實施例的遠程實驗室控制器的結(jié)構(gòu)如圖I所示，其連接到實驗室內(nèi)的開發(fā)板或儀器設(shè)備，用于遠程控制所述開發(fā)板或儀器設(shè)備，并可遠程觀看實驗現(xiàn)場視頻，該控制器包括控制管理模塊I、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(xiàn)場可編程門陣列FPGA實現(xiàn)；雙核處理器、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA均在單一芯片內(nèi)實現(xiàn)。優(yōu)選地，本發(fā)明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(xiàn)。Zynq可編程SOC中包括雙核處理器ARM Cortex_A9與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。Cortex-A9在Zynq中可達到1GHz, FPGA與Cortex_A9在片內(nèi)的融合可實現(xiàn)高數(shù)據(jù)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(tǒng)，通過第一通用網(wǎng)絡(luò)接口 111完成與遠程用戶的信息交互并獲取網(wǎng)絡(luò)帶寬信息，第二處理器12運行相應(yīng)的控制管理規(guī)則，其脫離所述操作系統(tǒng)獨立運行，通過第二通用網(wǎng)絡(luò)接口 121與實驗室內(nèi)的部分開發(fā)板或儀器設(shè)備連接，完成對所述部分開發(fā)板或儀器設(shè)備的控制管理，通過AXI Interconnect互聯(lián)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(wǎng)絡(luò)帶寬信息；其中第一通用網(wǎng)絡(luò)接口 111、第二通用網(wǎng)絡(luò)接口 121均為雙核處理器的片內(nèi)外設(shè)，兩個千兆通用網(wǎng)絡(luò)接口 111、121為以太網(wǎng)絡(luò)接口(GE)均通過片內(nèi)的AMBA Switch與雙核處理器進行數(shù)據(jù)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(tǒng)運行的存儲空間，F(xiàn)lash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(xiàn)，其通過與其相連的多個攝像頭采集實驗室內(nèi)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(lián)矩陣與雙核處理器互聯(lián)，遠程用戶通過網(wǎng)絡(luò)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(lián)矩陣輸出至視頻處理模塊。該模塊可根據(jù)用戶的指令，利用其內(nèi)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(jù)第一處理器 11反饋的網(wǎng)絡(luò)帶寬信息，可重配置不同的視頻壓縮算法，如網(wǎng)絡(luò)情況較好，可以利用H. 264直接壓縮成高清視頻，如網(wǎng)絡(luò)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(lián)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(wǎng)絡(luò)接口 111傳送到遠程用戶。該遠程視頻服務(wù)通過片內(nèi)的處理器與FPGA協(xié)同工作，在單芯片內(nèi)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(wù)器等設(shè)備，降低了設(shè)備成本，減少了系統(tǒng)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(shù)(PartialReconfiguration)，其區(qū)別于以往的FPGA配置技術(shù)。通過該技術(shù)不需對整個FPGA進行可重配置，只需劃分出FPGA內(nèi)相應(yīng)區(qū)域，只對該部分FPGA邏輯進行重配置，這樣可保證FPGA內(nèi)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(yù)存在片外Flash中，也可由用戶通過網(wǎng)絡(luò)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(shù)。多用途接口模塊3，提供可與實驗室內(nèi)的另一部分開發(fā)板或儀器設(shè)備連接的接口。在本發(fā)明中，多用途接口模塊也采用了上述技部分可重配置技術(shù)。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(yīng)的開發(fā)板、儀器設(shè)備連接，采集信息，傳輸控制命令。多用途接口模塊部分也預(yù)留了一塊部分可重配置邏輯，可根據(jù)實驗室現(xiàn)場情況，增加或減少串口等常用接口數(shù)目，同時也可用于添加專用接口，如CAN，IIC或用戶自定制數(shù)據(jù)通信接口。電源管理模塊4，根據(jù)遠程用戶的指令對各個開發(fā)板或?qū)嶒炇以O(shè)備的電源開關(guān)進行操作。在本發(fā)明中，電源管理模塊與片外電源及傳感器擴展板結(jié)合使用。電源及傳感器擴展板主要提供了各種設(shè)備、開發(fā)板的電源接口，并提供了物理開關(guān)用于對各個開發(fā)板、設(shè)備電源的開啟/關(guān)斷，其控制信號由用戶通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給第二處理器12，由第二處理器12通過AXI Interconnect互聯(lián)矩陣輸出給電源管理模塊,完成電源開啟/關(guān)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(fā)板或儀器設(shè)備的溫度、電流、電壓值交由第二處理器12判斷所監(jiān)控的所述開發(fā)板或儀器設(shè)備是否處于過載或短路的狀態(tài)，如所述開發(fā)板或儀器設(shè)備處于過載或短路，及時切斷其電源。綜上，本發(fā)明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(wù)器，串口 Hub等設(shè)備集成的系統(tǒng)集成至單個芯片中，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化，這樣的小型化能將控制板直接集成至開發(fā)板陣列機架中，明顯減少了系統(tǒng)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(gòu)的服務(wù)器和其他外接視頻采集卡，串口集線器等的傳統(tǒng)方案功耗一般都在100瓦以上 ，因此本發(fā)明的遠程實驗室控制器，其功耗也有顯著降低。本控制器結(jié)合處理器以及FPGA邏輯實現(xiàn)在線可重配置技術(shù)，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，在線改變視頻壓縮算法硬件，確保傳輸?shù)膶崟r性；并根據(jù)現(xiàn)場接口情況，靈活增加或減少專用接口，顯著增加了系統(tǒng)的靈活性。
權(quán)利要求
1.一種遠程實驗室控制器，其連接到實驗室內(nèi)的開發(fā)板或儀器設(shè)備，用于遠程控制所述開發(fā)板或儀器設(shè)備，進行遠程觀看實驗現(xiàn)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(tǒng)，通過第一通用網(wǎng)絡(luò)接口完成與遠程用戶的信息交互并獲取網(wǎng)絡(luò)帶寬信息，所述第二處理器運行相應(yīng)的控制管理規(guī)則，其脫離所述操作系統(tǒng)獨立運行，通過第二通用網(wǎng)絡(luò)接口與實驗室內(nèi)的部分開發(fā)板或儀器設(shè)備連接，完成對所述部分開發(fā)板或儀器設(shè)備的控制管理，通過AXI Interconnect互聯(lián)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(wǎng)絡(luò)帶寬信息；其中第一通用網(wǎng)絡(luò)接口和第二通用網(wǎng)絡(luò)接口均為 雙核處理器的片內(nèi)外設(shè)； 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(nèi)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(lián)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(wǎng)絡(luò)接口傳送到遠程用戶； 多用途接口模塊，提供與實驗室內(nèi)的另一部分開發(fā)板或儀器設(shè)備連接的接口 ； 電源管理模塊，根據(jù)遠程用戶的指令對各個開發(fā)板或?qū)嶒炇以O(shè)備的電源開關(guān)進行操作； 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(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)； 雙核處理器、AXI Interconnect互聯(lián)矩陣和現(xiàn)場可編程門陣列均在單一芯片內(nèi)實現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求I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(jù)實時網(wǎng)絡(luò)帶寬信息加載不同的圖像壓縮硬件模塊，當網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)帶寬較低時，采用壓縮比更高的圖像壓縮硬件模塊。
3.如權(quán)利要求I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(jù)實驗環(huán)境現(xiàn)場增加或減少串口模塊，同時也動態(tài)地在現(xiàn)場可編程門陣列片內(nèi)增加RS485和/或JTAG接口，并現(xiàn)場重配置。
4.如權(quán)利要求I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(fā)板或儀器設(shè)備的溫度、電流、電壓值交由第二處理器判斷所監(jiān)控的所述開發(fā)板或儀器設(shè)備是否處于過載或短路的狀態(tài)，如所述開發(fā)板或儀器設(shè)備處于過載或短路，及時切斷其電源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種遠程實驗室控制器，其在單芯片內(nèi)即可完成遠程實驗室控制以取代以往的通過服務(wù)器等設(shè)備實現(xiàn)的架構(gòu)。主要包括控制管理模塊、視頻處理模塊、多用途接口模塊和電源管理模塊。其中控制管理模塊運行在片內(nèi)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(nèi)現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)上。軟硬件協(xié)同工作，可遠程實現(xiàn)實驗環(huán)境現(xiàn)場多個設(shè)備、開發(fā)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?shù)膶崟r性，同時滿足各種專用接口的需求。本發(fā)明由于采用上述架構(gòu)設(shè)計，具有體積小，功耗、成本降低，同時系統(tǒng)靈活性得到極大提高。
文檔編號G05B19/042GK102968086SQ20121052759
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者吳幸, 孫立濤 申請人:東南大學(xué)