基于FPGA在高校实验室安防系统的应用

摘要：将FPGA应用到实验室的安防系统中，可以更大程度上提高实验室的安全性和智能化程度，从而能快速地、实时地检测到险情信号的变化，更好的发挥出其自身的优势，综合考虑其实用性、性价比、可靠性和可实现性，通过调研和分析，设计出系统的安全方案。

关键词：FPGA；安全性；智能化

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：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

兰州交通大学电工电子实验中心是开展科研，培养创新人才的地方，多少年来，在王紫婷老师的带领下培养出了许多实用型人才，同时实验室中心也占了学校固定资产的教大部分，如何提高校实验室的安全防护和创新管理是一个热门问题，那么基于FPGA的实验室安防系统运用相关的传感器检测险情信号，经过ZigBee的无线传输网络，以FPGA作为核心控制器件，对信号进行处理，最后做出报警，可以对现场的真实灾情做到准确定位。该系统利用Altera公司推出的DE2-70开发板作为FPGA平台，借助ZigBee无线传播网络，完成检测和报警于一体的实验室安防系统。

1安防系统的设计方案

实验室安防系统主要由检测单元和处理单元组成，其中检测单元有两个模块构成，为防盗模块和防火模块组成。处理单元采用FPGA核心器件负责检测节点实时数据和实时处理，两个单元之间用ZigBee无线传播网络为传送通道。安防系统的传感器安装在实验室需要防范的重要部位，如天花板和窗户，报警主机安放在其他实验室控制中心内比较隐秘的地方。每个防护的区域都设置为实时防区或推迟防区。实时防区是整天防护防区，一有异常情况，马上报警和通知主机；推迟防区在有情况时不会即刻报警，而是根据工作机的状态进行响应处理。通常情况，烟雾感，高温感，仪器破碎等防火模块传感器区域设置为实时防区，而防止别人非法进入实验室的检测器防区设置为推迟防区。防非法除开关和紧急报警开关设置为实时防区。工作机有两种工作状态，监控和屏蔽。监控状态是下班以后，实验室内没人时的工作状态。当实验员最后离开实验室时，打开“监控”开关，等待一段时间后，工作机自动进入监控工作状态。

图1安防系统框图

1.1安防系统中主要单元的工作原理

检测单元的两个模块中，防火模块采用的传感器有火焰，气体，温度，烟雾几种类型，它作为灾情信号的采集器，当发现灾情后，将火情信号转变为电信号，通过ZigBee无线网络传输到控制中心FPGA上，经过控制中心的处理后，接通报警装置，让其发出报警信号；防盗模块采用的传感器是热释电红外传感器，其红外发射头可以向ZigBee节点上主动发出红外信号，当人从中间经过时，红外信号被人体反射回来，而ZigBee节点收不到信号，随之其通过译码电路给控制中心发出低电平信号，控制中心FPGA收到低电平信号后，立刻作出相关措施。处理单元的具体工作是：接收从ZigBee网络传输过来的数据经过UART232串口存储到DE2-70开发板上的SDRAM中，然后系统从SDRAM中把数据读取出来，需要显示的数据，显示在LCD上；同时需要处理的数据则输到对应的电路中，实现报警。

1.2报警电路的工作原理

当ZigBee网络传输过来的数据信号值，经过LCD显示器显示出来达到某一温度值时，L1和L2端口为高电平，其中L1端口和DE2-70开发板上的发光二极管相连，L2端口对应设置到开发板上闲置的GPIO口上，GPIO口连接蜂鸣器，当温度高于某值时，发光二极管和蜂鸣器就会发出声光报警。

图2报警模块电路图

2安防系统的软件设计

系统软件是由各检测单元的采集模块和处理单元的处理模块组成。最重要的片上系统SOPC的处理开发软件是Nios II IDE，它同时也是Nios II软核处理器的基本开发工具，所有编辑，编译和调试程序都是在Nios II IDE下完成。这里我们采用的是：Altera公司推出的Nios II IDE，它不仅提供了功能很全的编译器，而且还提供给了一个源代码编辑器，IDE中集成的Flash编程器，能方便快速的固化软件程序。整个程序包括的子模块有：键盘，传感器模块，ZigBee网络传输模块，报警模块等。传感器信号经过信号调理电路传送到ZigBee的节点上，通过其无线网络送入DE2-70平台选用的FPGA EP2C70F896C6N上进行检测和处理，并且EP2C70F896C6N对连接ZigBee端口的输入信号不断扫描。若信号有异常，EP2C70F896C6N将信息保存，打包，同时发出报警。其系统的软件流程图如图3所示。

图3软件程序流程图

3结束语

该文提出的DE2-70平台选用的FPGA EP2C70F896C6N是Altera公司的CycloneII系列产品之一，将FPGA应用在实验室安防系统中，与单片机和其它芯片相比，有其独具一格的优势。FPGA不仅内部时延特别小，而且是多处理器系统；在其平台上所有的控制逻辑都是由硬件来完成，其内部使用专用的硬件加速器，这样就特别适合进行大批量的高速数据传输控制；FPGA的组成形式灵活多样，并且嵌入各种存储资源，使系统容易获得支持各种存储器应用和数字信号处理的高性能，而且支持串行总线和网络接口等各种通信协议，从而降低了系统的成本。其次，用ZigBee网络进行无线通信的信号传输，由于ZigBee有功耗小、成本低、广泛的工作频段和网络化结构等特点，不但在很大程度上减少了系统的设备量，而且便于系统灵活配置，快速移动；因此，基于以上论述的思想和技术，我们还要在深层次近一步探讨图像处理技术，指纹识别等实用性技术，使得其在具体的实验室系统安防工作中发挥更加强大的功能和作用。

参考文献：

[1]张志刚.FPGA与SOPC设计教程——DE2实践[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

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[3]孙凯,程世恒.Nios II系统开发设计与应用实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

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