一种基于双FPGA的计算控制模块的制作方法

一种基于双fpga的计算控制模块
技术领域
1.本实用新型属于电子信息技术领域，具体涉及一种基于双fpga的计算控制模块。


背景技术：

2.随着社会的发展，卫星在军工、民用、航天等领域都得到了极为广泛的应用，且成为了不可或缺的组成部分。而卫星中的运行控制系统以及与卫星运行相配套的各个平台则是整个卫星正常工作的基础。而这些平台中难以避免的需要使用到计算机控制模块。但是，目前采用的计算机控制模块在需要配置更新时，大多只能通过技术人员在本地进行停机更新，需要耗费较大的人力和较长的时间；同时，采用技术人员在本地进行停机更新，其局限性还大，一旦没有技术人员能够及时到达现场更新，则可能出现平台长时间瘫痪的问题，如果是重要平台出问题，则可能导致整个卫星的运行控制出现故障，造成极大的损失。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种基于双fpga的计算控制模块，所述基于双fpga的计算控制模块解决了需要技术人员本地更新以及更新耗费时间长的问题。
4.根据本实用新型实施例的基于双fpga的计算控制模块，包括pcb基板以及设置于所述pcb基板上的：
5.连接器；
6.核心控制单元，包括中央处理器以及与所述中央处理器连接的nor flash；所述中央处理器通过sgmii通讯口与所述连接器连接，用于获取第一动态配置数据；所述nor flash用于存储所述第一动态配置数据；
7.第一数据处理单元，包括第一fpga以及分别与所述第一fpga连接的第一flash、第一内存；所述第一fpga分别与所述中央处理器、nor flash连接；所述第一flash用于通过所述第一fpga写入所述第一动态配置数据；
8.第二数据处理单元，包括第二fpga以及分别与所述第二fpga连接的第二flash、第二内存；所述第二fpga分别与所述连接器、中央处理器、第一fpga连接，用于通过所述连接器获取第二动态配置数据；所述第二flash用于通过所述第二fpga写入所述第二动态配置数据。
9.根据本实用新型实施例的基于双fpga的计算控制模块，至少具有如下技术效果：通过中央处理器获取到第一动态配置数据、以及通过第二fpga获取第二动态配置数据后，可以写入nor flash、第一flash、第二flash中，实现对第一动态配置数据和第二动态配置数据的动态存储，进而可以在需要更新时，直接通过中央处理器控制第一fpga和第二fpga加载对应的动态配置数据进行更新即可，无需再通过技术人员再进行手动更新。同时，通过中央处理器可以随时获取第一动态配置数据并存入到nor flash中，此时第一fpga和第二fpga组成的双fpga数据处理结构仍然可以正常工作，只需要在第一fpga加载第一动态配置
数据的时候，让第一fpga进行短暂的停止即可，此时第二fpga仍然能够进行数据接收，不需要停止整个计算控制模块的工作，完成可以实现对第一fpga的动态更新；再有，对于第二fpga的更新虽然无法做到完全不停止整个计算控制模块的工作，但是通过中央处理器单元远程获取第二动态配置数据方式，仍然能够极大节省更新时需要花费的人力、物力、时间成本。本实用新型实施例的基于双fpga的计算控制模块可以实现对第一fpga的远程动态更新，在将第一fpga作为数据处理的主要单元时，可以极大的减少功能升级换代的时间，有效的节约了人力、物力和时间，适合进行产业化推广。
10.根据本实用新型的一些实施例，上述基于双fpga的计算控制模块还包括网络通讯模块，所述网络通讯模块通过所述sgmii通讯口与所述连接器连接，通过所述rgmii接口与所述中央处理器连接。
11.根据本实用新型的一些实施例，所述第一fpga和第二fpga通过lvds总线连接；所述第二fpga还与所述连接器上的srio通讯口连接。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述第二fpga还连接有qsfp光纤模块。
13.根据本实用新型的一些实施例，上述基于双fpga的计算控制模块还包括与所述中央处理器连接的运行数据检测电路，所述运行数据检测电路用于采集电压数据、电流数据。
14.根据本实用新型的一些实施例，所述运行数据检测电路包括：
15.电压采集电路，其具有多个输出端，用于采集所述电压数据；
16.电流采样电阻，用于与输入电源的输出端串联并采集电流数据；
17.安全管理处理器，分别与所述电压采集电路、电流采样电阻、中央处理器连接。
18.根据本实用新型的一些实施例，所述运行数据检测电路还包括mos管，所述mos管的栅极与所述安全管理处理器连接，漏极与所述输入电源之间串联有所述电流采样电阻，源极用作输出端。
19.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
20.本实用新型的上述或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
21.图1是本实用新型实施例的基于双fpga的计算控制模块的系统框图；
22.图2是本实用新型实施例的基于双fpga的动态配置方法的流程图；
23.图3是本实用新型实施例的基于双fpga的运行数据检测电路的部分原理图。
24.附图标记：
25.连接器100、
26.中央处理器210、nor flash220、
27.第一fpga310、第一flash320、第一内存330、
28.第二fpga410、第二flash420、第二内存430、qsfp光纤模块440、
29.网络通讯模块500、
30.运行数据检测电路600、电压采集电路610、安全管理处理器620、mos管630。
具体实施方式
31.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
32.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
33.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
34.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
35.下面参考图1至图3描述根据本实用新型实施例的基于双fpga的计算控制模块。
36.根据本实用新型实施例的基于双fpga的计算控制模块，包括pcb基板以及设置于pcb基板上的：连接器100、核心控制单元、第一数据处理单元、第二数据处理单元。
37.连接器100，用作与外部进行数据交互的端口，提供了数据交互的基础；
38.核心控制单元，包括中央处理器210以及与中央处理器210连接的nor flash220；中央处理器210通过sgmii通讯口与连接器100连接，用于获取第一动态配置数据；nor flash220用于存储第一动态配置数据；
39.第一数据处理单元，包括第一fpga310以及分别与第一fpga310连接的第一flash320、第一内存330；第一fpga310分别与中央处理器210、nor flash220连接；第一flash320用于通过第一fpga310写入第一动态配置数据；
40.第二数据处理单元，包括第二fpga410以及分别与第二fpga410连接的第二flash420、第二内存430；第二fpga410分别与连接器100、中央处理器210、第一fpga310连接，用于通过连接器100获取第二动态配置数据；第二flash420用于通过第二fpga410写入第二动态配置数据。
41.参考图1至图3，中央处理器210通过sgmii通讯口与连接器100连接，进而可以与外部设备进行数据通讯，接收外部设备传输过来的第一动态配置数据；在接收到第一动态配置数据后，则可以将第一动态配置数据写入nor flash220，对第一动态配置数据进行第一步存储，第二动态配置数据也可以通过同样的方式写入到nor flash220进行存储。
42.在第一动态配置数据写入nor flash220后，第一fpga310会在空闲时将nor flash220中的第一动态配置数据写入第一flash320，或者直接使用多线程的方式将第一动态配置数据写入第一flash320。此时，一旦中央处理器210接收到了需要进行重新加载第一fpga310的指令，则会控制第一fpga310从第一flash320中获取第一动态配置数据进行重新加载。而在第一flash320出现加载故障或者第一flash320中的第一动态配置数据未及时更
新时，则会由中央处理器210直接将nor flash220中的第一动态配置数据加载到第一fpga310中，完成对第一fpga310的配置更新。在本实用新型的一些实施例中，采用了主动选择更新闪存的方式，来完成对第一fpga310的加载，即：人工远程发送指令，中央处理器210根据指令选择从nor flash220还是第一flash320中获取第一动态配置数据。
43.第二fpga410直接和连接器100通过pcie接口进行连接，进而通过连接器100从外部设备获取第二配置数据，并将第二配置数据写入到第二flash420中，在中央处理器210接收到需要更新第二fpga410的指令时，才会控制第二fpga410从第二flash420中加载第二配置数据。在本实用新型的一些实施例中，第二配置数据也可以通过中央处理器210写入到nor flash220中，然后再通过中央处理器210从nor flash220获取。
44.这里需要说明，第一fpga310和第二fpga410组成的双fpga运算结构，通常由第二fpga410负责与外部进行通讯，以获取数据，而第一fpga310则负责进行管理操作，所以在实际工程中，对于第二fpga410的更新频率会远远低于第一fpga310，所以只需要实现对第一fpga310的动态配置即可。在第一fpga310上同时连接nor flash220和第一flash320的结构，便可以最大程度上的减少更新第一fpga310配置占用的时间，避免了数据中转的时间消耗，又因为可以通过中央处理器210实时对nor flash220中第一动态配置数据进行更新，所以可以实现对第一fpga310进行动态配置，不需要在将要进行更新时还要重新从远端获取第一动态配置数据，且采用nor flash220进行第一动态配置数据存储，也可以避免直接由外部设备实时传输第一动态配置数据造成的数据不稳定。
45.根据本实用新型实施例的基于双fpga的计算控制模块，通过中央处理器210获取到第一动态配置数据、以及通过第二fpga410获取第二动态配置数据后，可以写入nor flash220、第一flash320、第二flash420中，实现对第一动态配置数据和第二动态配置数据的动态存储，进而可以在需要更新时，直接通过中央处理器210控制第一fpga310和第二fpga410加载对应的动态配置数据进行更新即可，无需再通过技术人员再进行手动更新。同时，通过中央处理器210可以随时获取第一动态配置数据并存入到nor flash220中，此时第一fpga310和第二fpga410组成的双fpga数据处理结构仍然可以正常工作，只需要在第一fpga310加载第一动态配置数据的时候，让第一fpga310进行短暂的停止即可，此时第二fpga410仍然能够进行数据接收，不需要停止整个计算控制模块的工作，完成可以实现对第一fpga310的动态更新；再有，对于第二fpga410的更新虽然无法做到完全不停止整个计算控制模块的工作，但是通过中央处理器210单元远程获取第二动态配置数据方式，仍然能够极大节省更新时需要花费的人力、物力、时间成本。本实用新型实施例的基于双fpga的计算控制模块可以实现对第一fpga310的远程动态更新，将第一fpga310作为数据处理的主要单元时，可以极大的减少功能升级换代的时间，有效的节约了人力、物力和时间，适合进行产业化推广。
46.在本实用新型的一些实施例中，上述基于双fpga的计算控制模块还包括网络通讯模块500，网络通讯模块500通过sgmii通讯口与连接器100连接，通过rgmii接口与中央处理器210连接。网络通讯模块500通过sgmii通讯口可以实现与远端的数据交互，进而利用以太网实现超远程的数据传输，不再需要人工到本地进行数据传输再更新。在本实用新型的一些实施例中，网络通讯模块500采用88e1111。
47.在本实用新型的一些实施例中，第一fpga310和第二fpga410通过lvds总线连接；
第二fpga410还与连接器100上的srio通讯口连接。通过srio通讯口可以让第二fpga410实现与外部的超高速通讯，且srio通讯口通常设置有多个，可以便于进行功能拓展，而多路srio通讯口直接和第二fpga410连接即可实现高速数据交互。第二fpga410通过多路srio通讯口获取到数据后，则可以通过lvds总线将初步处理后的数据传输到第一fpga310中进行最终的管理。这样可以极大的提高数据传输的数据，有效的利用第一fpga310和第二fpga410的数据处理能力。
48.在本实用新型的一些实施例中，第二fpga410还连接有qsfp光纤模块440。qsfp光纤模块440通过qsfp光纤模块440使得第二fpga410具备的光通信的能力，不但可以匹配更多的外部设备，同时也可以提高数据接收的能力。在本实用新型的一些实施例中，通过qsfp光纤模块440也可以接收外部传输的第一动态配置数据和第二动态配置数据。
49.在本实用新型的一些实施例中，上述基于双fpga的计算控制模块还包括与中央处理器210连接的运行数据检测电路600，运行数据检测电路600用于采集电压数据、电流数据。中央处理器210在接收到电压数据、电流数据后，可以进一步通过连接器100传输到远端，便于远端实时知晓计算控制模块的运行状态。
50.在本实用新型的一些实施例中，参考图3，运行数据检测电路600包括：电压采集电路610、电流采样电阻r199、安全管理处理器620。电压采集电路610，其具有多个输出端，用于采集电压数据；电流采样电阻r199，用于与输入电源的输出端串联并采集电流数据；安全管理处理器620，分别与电压采集电路610、电流采样电阻r199、中央处理器210连接。电压 12v_vpx由连接器100输入，输入之后通过电压采集电路610进行电压采集，并输出两个电压信号，两个信号分别用于判断电压过压和电压欠压。在本实用新型的一些实施例中，电压采集电路610包括了第一分压电路和第二分压电路；第一分压电路由依次串联在电压 12v_vpx和地线之间的电阻r862、r854组成，r862、r854的比值较大，可以用于进行过压检测；第二分压电路由依次串联在电压 12v_vpx和地线之间的电阻r873、r880组成，r873、r880的比值较小，可以用于进行欠压检测。电流采样电阻r199串联在电压 12v_vpx和mos管630的漏极之间，在mos管630导通之后便可以直接检测到整个电路的回路电流，通过安全管理处理器620采集电流采样电阻r199两端的压差便可以知晓电流的大小。通过运行数据检测电路600可以在电压或电流波动时，及时知晓故障，以便尽快进行故障排查；也可以通过安全管理处理器620直接控制mos管630关断，及时减小对本实用新型实施例的基于双fpga的计算控制模块的伤害，例如：在需要对连接在连接器100上的电源进行热插拔时，一旦出现电压电流波动过大，则可以控制mos管630关断，避免热插拔时的电流电压冲击对计算控制模块造成损害。
51.在本实用新型的一些实施例中，参考图3，运行数据检测电路600还包括mos管630，mos管630的栅极与安全管理处理器620连接，漏极与输入电源之间串联有电流采样电阻，源极用作输出端。mos管630栅极电压由安全管理处理器620控制，因此可以直接通过安全管理处理器620控制mos管630的通断，进而实现对电源输入的通断控制。
52.在本实用新型的一些实施例中，安全管理处理器620通过i2c接口和中央处理器210连接，可以实时的将电压数据、电流数据以及mos管630的控制数据传输到中央处理器210。进而可以通过中央处理器210传输到远端。
53.在本本实用新型的一些实施例中，运行数据检测电路600还包括与所述安全管理
处理器620连接的温度采集单元，通过所述温度采集单元可以有效的检测出计算控制模块的运行环境温度，防止高温长时间运行，造成老化。温度采集单元采集的温度数据可以通过安全管理处理器620和中央处理器210传输到远端，由远端进行监测。在本本实用新型的一些实施例中，温度采集单元可以直接采用热敏电阻。
54.在本实用新型的一些实施例中，中央处理器210采用am335x处理器。第一fpga310采用了hw4vsx55。第二fpga410采用了xc7vx485t。安全管理处理器620采用了lm25066i。
55.这里在上述基于双fpga的计算控制模块的基础上，为了进一步描述动态配置的过程，叙述一种动态配置方法，包括以下步骤：
56.通过连接器100的sgmii通讯口获取第一动态配置数据，并传输至中央处理器210；
57.中央处理器210将第一动态配置数据写入nor flash220；
58.第一fpga310将nor flash220中第一动态配置数据写入第一flash320；
59.通过连接器100的pcie通讯口获取第二动态配置数据，并传输至第二fpga410；
60.第二fpga410将第二动态配置数据写入第二flash420；
61.响应于第一动态配置指令，中央处理器210控制第一fpga310从nor flash220或第一flash320中获取第一动态配置数据进行配置；
62.响应于第二动态配置指令，中央处理器210控制第二fpga410从第二flash420获取第二动态配置数据进行配置。
63.参考图1至图3，中央处理器210通过sgmii通讯口与连接器100连接，进而可以与外部设备进行数据通讯，接收外部设备传输过来的第一动态配置数据；在接收到第一动态配置数据后，则可以将第一动态配置数据写入nor flash220，对第一动态配置数据进行第一步存储。在第一动态配置数据写入nor flash220后，第一fpga310会在空闲时将nor flash220中的第一动态配置数据写入第一flash320，或者直接使用多线程的方式将第一动态配置数据写入第一flash320。第二fpga410直接和连接器100通过pcie接口进行连接，进而通过连接器100从外部设备获取第二配置数据，并将第二配置数据写入到第二flash420中。在经过上述步骤之后，便具备了动态配置的基础。
64.此时，一旦发送第一动态配置指令到中央处理器210，中央处理器210便会控制第一fpga310从第一flash320中获取第一动态配置数据进行重新加载。而在第一flash320出现加载故障或者第一flash320中的第一动态配置数未及时更新时，则会由中央处理器210直接将nor flash220中的第一动态配置数据加载到第一fpga310中，完成第一fpga310的配置更新。在本实用新型的一些实施例中，采用了主动选择更新闪存的方式，来进行对第一fpga310的加载，即：人工远程发送的第一动态配置指令中包含了优先级信息，中央处理器210根据优先级选择从nor flash220还是第一flash320中获取第一动态配置数据。同理，一旦发送第二动态配置指令到中央处理器210，中央处理器210便会控制第二fpga410从第二flash420中获取第二动态配置数据进行重新加载。
65.根据本实用新型实施例的动态配置方法，至少具有如下技术效果：通过中央处理器210获取到第一动态配置数据、以及通过第二fpga410获取第二动态配置数据后，并写入到nor flash220、第一flash320、第二flash420中，实现对第一动态配置数据和第二动态配置数据的动态存储，进而可以在需要更新时，直接通过中央处理器210控制第一fpga310和第二fpga410加载对应的动态配置数据进行更新即可，无需再通过技术人员再进行手动更
新。同时，通过中央处理器210可以随时获取第一动态配置数据并存入到nor flash220中，此时第一fpga310和第二fpga410组成的双fpga数据处理结构仍然可以正常工作，只需要在第一fpga310加载第一动态配置数据的时候，让第一fpga310进行短暂的停止即可，此时第二fpga410仍然能够进行数据接收，不需要停止整个计算控制模块的工作，完成可以实现对第一fpga310的动态更新；再有，对于第二fpga410的更新虽然无法做到完全不停止整个计算控制模块的工作，但是通过中央处理器210单元远程获取第二动态配置数据方式，仍然能够极大节省更新时需要花费的人力、物力、时间成本。本实用新型实施例的动态配置方法可以实现对第一fpga310的远程动态更新，将第一fpga310作为数据处理的主要单元时，可以极大的减少功能升级换代的时间，有效的节约了人力、物力和时间，适合进行产业化推广。
66.在本实用新型的一些实施例中，上述动态配置方法还包括以下步骤：
67.通过连接器100的pcie通讯口获取第一动态配置数据，并传输至第二fpga410；
68.第二fpga410将第一动态配置数据传输至第一fpga310；
69.第一fpga310将第一动态配置数据写入第一flash320。
70.第一动态配置数据除了可以由中央处理器210获取外，也可以由第二fpga410进行获取，这样可以使得在网络通讯模块500出现故障后，仍然能够通过第二fpga410利用vpx的pcie通讯口获取第一动态配置数据，虽然相较于直接从中央处理器210获取第一动态配置数据的方式上有较大的延时，但是可以保证对第一fpga310的正常更新。
71.在本实用新型的一些实施例中，上述动态配置方法还包括以下步骤：
72.在nor flash220中预置第一预置配置数据和第二预置配置数据，第一预置配置数据、第二预置配置数据与第一动态配置数据和第二动态配置数据在nor flash220中存储区域不重叠；
73.当第一fpga310和第二fpga410加载第一动态配置数据和第二动态配置数据出现异常时，响应于预置配置更新指令，第一fpga310从nor flash220中获取第一预置配置数据，第二fpga410通过中央处理器210从nor flash220中获取第二预置配置数据。
74.在实际工程中，可能会出现上传的第一动态配置数据和第二动态配置数据虽然已经更新，但是无法加载成功的问题，或者加载成功后无法进行正常工作或者功能缺失。面对这种情况，选择了在nor flash220中预置第一预置配置数据和第二预置配置数据，第一预置配置数据和第二预置配置数据对应的第一fpga310和第二fpga410配置信息通常只具备默认的功能，在出现上述情况后，使用第一预置配置数据和第二预置配置数据进行配置更新，可以保证第一fpga310和第二fpga410基本正常工作，之后，远端则可以派遣专业的技术人员到现场进行故障排查，以及对出现故障的第一动态配置数据和第二动态配置数据进行排查。
75.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
76.尽管上述结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下
可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。