基于FPGA的水产养殖环境无线测控模块设计

林永宏， 杨壮志， 刘洪涛， 张小丽， 刘家星

(1 成都职业技术学院软件学院，四川 成都，610041；2 成都市农林科学院水产研究所，四川 成都，611130)

基于FPGA的水产养殖环境无线测控模块设计

林永宏1， 杨壮志2， 刘洪涛1， 张小丽2， 刘家星2

(1 成都职业技术学院软件学院，四川 成都，610041；2 成都市农林科学院水产研究所，四川 成都，611130)

针对我国水产养殖无线远程信息测控多以成熟单片机为核心控制主件，不易满足行业特殊接口需求以及缺乏独立核心控制器的现状，项目以标准化及芯片自主化为最终目的，提出基于现场可编程门阵列(FPGA)为核心的实现方案，尝试性设计了一种较为通用的、可实现AD转换、数字接口、控制输出和驱动以及养殖现场数据存储和远距离数字通讯的测控模块。通过对水产养殖领域环境信息的无线测控模块各主要环节的研究设计，以模块到系统的FPGA原型功能验证方式，实现了现场模块对水产养殖的温度、溶氧信息的远距离测量和控制。系统测试和板级实验结果表明，该设计可以满足低成本、接口可扩展及标准化核心控制器的水环境测控模块需求。

现场可编程门阵列；远程测控模块；水产养殖

中国池塘养殖装备科技整体上处于世界先进水平，但在装备应用机制、机理上的研究较为缺乏，养殖技术主要来自经验，与设施、装备的关联度不够，特定的模式及其对应的养殖工艺、操作规范尚未有效建立[1]。具体表现在远程监控模块的标准化、规范化以及上位机知识系统的智能化和深度数据挖掘不够等。就水产养殖装备而言，具有自主知识产权的芯片化解决手段十分稀缺，远程测控远端的模块在当下市场上主要是基于ZIGBEE(CC2430)[2]、STC、STM32[3]单片机的，其外围接口没有专门针对水产养殖环境信息而设计，也不利于功能参数的增加和修改，尤其在多参数检测方面与欧美许多仪器仪表公司如美国的YSI及HACH、意大利的HANNA和法国的POLYMERTON等相比尚有不小差距，作为全球最大的水产养殖国[4]，提高养殖设备的规范化、标准化以及自主知识产权水平十分必要。

在设计生产自主化集成芯片，无论是多项目晶圆(Multi Projects Wafer，MPW)还是工程流片[5]，在正式流片之前开展有效验证，可以避免因设计失误而造成的巨大损失。而现场可编程门阵列(FPGA)的现场可编程技术可使设计更为方便，大大减少设计费用，其趋向于片上系统集成(System on Chip，SoC)技术，能将整个系统集成在一块FPGA芯片上[6-7]，从而缩短系统设计周期，降低设计风险。正是由于其高集成度、高速、高可靠性等明显特点，在基于芯片的设计和集成电路设计验证技术等方面具有非常广阔的应用前景。

1 材料与方法

1.1 模块在系统总体设计中的定位

水产养殖环境信息的无线测控，从系统的角度看一般分为远端的信号处理和控制平台、养殖区的无线测控模块以及在水域的各种传感器及控制设备。远端的信息处理和控制作为本系统的决策中心，其接收养殖区域的现场信息，根据专家决策软件或经验数据作出判断，并将控制调整信号发送至现场的无线测控模块，由模块最终输出控制信号调整设备状态，实现系统的闭环控制。

在现实中远端的处理与决策可用人工智能(AI)模式结合各种手持智能终端实现，无线传输方式可以选择移动网络GSM无线通讯系统、无线数传电台、物联网(ZIGBEE)等手段实现，测控模块在本系统中则采用基于FPGA的结合维护成本相对较低的无线数传来实现，其功能是现场环境传感测量和控制执行，系统的另外一部分是远端的智能决策系统。图1为系统总体框图。

图1 基于FPGA 模块的水产养殖环境信息 无线测控系统框图

Fig．1 Block diagram of wireless measurement and control system for aquaculture information based on FPGA module

1.2 验证模式的选择

近年来，基于FPGA集成密度和数据带宽的增加，已有很多公司推出了成熟的FPGA产品。这些公司一般选用高端的FPGA和大容量的逻辑器件，支持可配置互联，能够进行大规模集成电路的功能验证，设计了具有代表性的验证系统[8-9]，其快速和高准确性是FPGA原型验证最大的优点[10]。 本质上，FPGA也是一种集成电路，在FPGA上实现ASIC原型，相当于在实际硬件上实现ASIC电路。FPGA的原型验证流程与用FPGA进行设计的流程基本相同，一般均采用自顶而下的流程方法。流程主要包括验证规划、设计输入、综合、行为仿真、实现(翻译、映射、布局布线)、时序分析、板级调试、结果对比分析[11-13]，这些工作的完成基于XILINX ISE14.7设计平台。基于FPGA的原型验证使用的都是真实的器件、接口等，因此可以保证较高的验证准确性。

在验证规划阶段，确定了测控模块的FPGA验证：自底而上，板级硬件验证，即"模块级-系统级"的递进式验证策略。首先验证测控电路各子模块的功能，然后再验证整个测控模块电路的功能以及实际工作性能，逐次递进，保证项目第一部分实验的可靠性。

1.3 无线测控模块功能设计

无线测控模块的设计重点考虑将来芯片的自主化以及接口变化便利问题，采用了XILINX公司的SPARTAN 3E系列FPGA为核心来实现，它能实现可编程逻辑、连接功能和专用硬 IP 的独特成本优化型平衡，从而充分满足低成本应用的需求，适用于逻辑集成、DSP协处理和嵌入式控制。无线测控模块的硬件设计框图如图2所示。

图2 基于FPGA的无线测控模块设计框图

1.3.1 无线收发选型

AS62-T20 是一款100 mW、高稳定性、工业级的无线数传模块。模块采用SX1278主芯片，LORA 扩频传输，TTL电平输出，兼容3.3 V 与5 V的IO 口电压。连接示意图如图3所示。

图3 无线串口模块连接示意图

该模块采用高效的循环交织纠错编码算法，编码效率高，纠错能力强，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，最大连续纠错64 Bit，可明显提高模块的抗干扰性和传输距离。在没有采用纠错算法的情况下，这种数据包只能被丢弃。LORA 扩频使模块具有更远的通信距离。AS62 的设计工作频率为410～441 MHz，共计32 个信道，每个信道间隔1M，可配置 65 536 个地址(便于组网，支持广播和定点传输)，可在线修改串口波特率、收发频率、发射功率、射频速率等各种参数，传输距离3 km。

1.3.2 现场及控制数据存储

养殖水环境现场有本地数据的采集与存储，数据包括溶氧、pH、温度等，这些数据原始信息都基本为模拟量，也有一些传感器是开关量输出，因此存储采集的内容设计为模数转换后的数据，以及隔离采样数据和开关数据等，还有本地现场的手动控制数据，当无线测控模块接收主机发送的控制数据时，除了及时控制现场调节设备，也需要及时保存该数据在模块的I2C存储器24C01中。数据存储内容及地址分配见表1。

表1 数据存储内容及地址分配

1.3.3 模数转换通道设计

采用TLC549，它是8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟与CLK独立工作，转换时间最长17μs，TLC549为40 000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗6 mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+-VREF-≥1V，可用于较小信号的采样[14]。CLK、CS、DATA OUT三条线与FPGA相连，通过FPGA内部接口设计的电路时序，完成对外部模拟信号的采样。

1.3.4 控制信号输出与驱动

本模块设计的主要功能之一是根据现场数据接收远端决策控制信号，对现场水环境进行调节控制，控制对象为增氧机和进出水泵，由于模块本身的输出电压基本为3.3V，因此需要在输出端加驱动及保护至控制继电器。增氧泵是系统的主要控制对象，其是否正常工作直接决定了能否为鱼塘充氧。增氧能力和动力效率是衡量增氧泵性能的重要指标。为了达到良好的增氧效果，系统选用叶轮式增氧机，额定电压220 V，额定功率1.5 kW，动力效率≥1.4 kg/(kW·h)，增氧能力2.25 kg/h[15]。在模块的电路中设有两片高耐压、大电流复合晶体管IC—ULN2003，可以输出14路驱动控制信号，其输入端与FPGA-I/O口直接相连。

1.4 环境信息传感与执行电路

1.4.1 溶氧测量

溶氧测量探头采用DO-958-BF极谱型溶氧膜电极，极谱型溶氧测量的特点是寿命长、电极响应时间短。无氧时传感器中无电流；有氧时溶氧浓度以电流的形式被送入调理电路[16]。由于I-V变换的弱电流测量方法是常用的弱电流检测方法，其中的反馈电流放大型测量电路结构较简单，转换线性较好，电路频率响应特性较好，在加入有效的硬件和软件抗干扰措施后，可提高测量的精度和稳定性[17]。因此，测量的电路是按照基于反馈式电流放大器型I-V转换原理进行设计，其基本电路如图4所示，其输入输出关系如下：

(1)

式中：V0—输出电压，V；RF、R1、R2均为电阻值，Ω；Is为输入电流值，A。该电压通过模数转换TLC549，将溶氧采样数值转换为8位串行数据，存入本地测控模块上传至决策系统进一步计算和控制。

图4 溶氧测量电路的弱信号放大

1.4.2 温度测量

温度传感器采用AD590，为电流型温度传感器，具有非常好的线性输出性能。

图5 温度测量电路

当环境温度为0 ℃，其输出电流为273 μA，流过AD590的电流与绝对温度成正比，温度每增加 1 ℃，其输出电流增加1μA，即电流与温度的关系为：I=(273+T)μA，由AD590组成的摄氏温度测温电路[18]如图5所示。根据以上关系式，ADC采样数值参考为：电路转换输出电压U0的最低分辨率为3 V/255=0.012 V，测量鱼塘水温0 ℃ ～50 ℃，实际采样数值为T×5，T表示摄氏温度数值。

1.5 基于VERILOG的电路模型设计

针对前文图2所示的模块设计，选择VERILOG HDL来描述逻辑设计的硬件电路，主要包含以下电路模块：开关量采样、异步通讯接口、I2C总线接口、自主定义的模块与决策端通讯状态机、串行ADC的时序接口、硬件电路信号输出，以及相关的数据和地址控制电路。内部主要数据流的关系见图6所示。

图6 FPGA电路模型设计

FPGA在系统验证带来的益处有：逻辑功能全面验证、部分电路时序验证、潜在的Bug发现、逻辑综合过程验证、加快设计流程、减少重新制版几率、降低成本和加快厂商系统产品开发。本实验阶段的芯片选用XILINX SPARTAN3S 250E，基于SRAM工艺，优点是使用标准的CMOS工艺，不需要任何复杂工序[19]。使用Verilog对整个系统进行硬件描述、逻辑综合、翻译、映射、布局布线等，最后通过ISE开发平台将整个控制电路集成到一个FPGA芯片中，减少了外界对系统的干扰，便于将来系统升级，对现场电路连接方式的控制较灵活。在实际验证设计中采取以下指令内容方式(表2)。

表2 FPGA远程测控模块的简要协议与指令

Tab. 2 Brief protocol and instruction of FPGA remote measurement and control module

工作协议指令内容检查本地数据1、设置SWADDR对应存储空间地址2、点按SWREAD按钮手动设置1、设置SWADDR对应存储空间地址2、设置SWDATA内容3、点按SWWRITE按钮远程查询1、发送对应信道和地址模块FF命令2、模块采样本地数据LOCAL＿DATA3、数据写入本地存储区域4、向主机发送数据远程控制1、发送对应信道和地址模块F0命令2、对应模块接收主机HOST＿DATA3、写入模块存储区域4、控制字对应控制输出修改

2 测控结果

2.1 实验测试结果

实验在成都农林科学院进行，系统初始化后，主机通过采样指令开始接收传感器检测到的各项数据，依次获取溶氧、温度等参数，将获取值与设定值比较，根据专家决策做出相应的动作，从而实现自动控制。本项目现场模块对传感器数值不做任何判定和描述，直接根据时序传递给后端主机，由主机根据数据库做出相应的显示和控制。应用测试中，将本地模块放于浮标桶内，采用干电池供电，在距离1 000 m左右的室内对采集数据进行比较分析，时间跨度从9:00到17:00，间隔采样时间1 h，实际测试结果见表3。可以看出，该模块对水产养殖环境信息的检测与标准参考值的相对误差基本满足使用需求。

表3 FPGA无线测控模块对水产养殖环境信息的测试

2.2 资源利用摘要

在最后的功能性验证前，分模块进行了板级硬件验证。本验证项目器件的资源利用(面积)摘要见表4。

表4 器件利用摘要

2.3 主要模块构成

通过ISE14.7平台以及FPGA电路模型设计框图，VERILOG描述的主要接口模块为模数转换ADC549.V，无线串口UART_TX.V，UART_RX.V及波特率发生器，数据存储I2C.V及数据产生模块，指令接口状态机模块FF_FSM.V，F0_FSM.V，以及显示模块DISPLAY.V。

3 讨论

3.1 采样数据的处理

本实验对水池的温度和溶氧的测试和控制，采样数据经过弱信号放大，再经过A/D变换传输到决策系统。数据的波动问题，由于放大器以及变换器环境噪声的影响，在FPGA中的本地数据需要在控制决策前进行一系列滤波算法，考虑到温度、溶氧等参数在测量过程中变化比较缓慢，我们使用限幅滤波和固定窗长滑动均值滤波算法来消除干扰[20]。系统采用的滑动均值滤波算法如下：

(2)

式中：A—以固定长度的数组代表采样数值；N—采样窗口长度数值，其数据来自于采样值利用数值拼接[21]的思路，实现限幅后采样数组固定窗口的移动：

A[N-1:0]={A[N-2:1],X[K]}

(3)

即A[0]的数值来源于限幅滤波算法的X[K]，N=12[20]。限幅滤波算法的数学表达式：

(4)

式中：X(K)—第K次取值；S(K)为第K次A/D采样原始数值；S(K-1)为第K-1次A/D采样原始数值；R为前后两次采样数值的差，滤掉不合常理脉冲干扰造成的采样失真。实验结果证明采样数据得到了很好的平滑。

3.2 FPGA原型设计向标准芯片的转换

由于FPGA有固定的设计约束和要求以及定义明确的标准功能，可以视FPGA为标准产品，而不管是标准单元还是门阵列，它们都不是采用标准工艺来进行集成电路设计或加工的，在设计时可能的选项很多；同时在流片过程中，工艺参数也会有所不同。如果电路设计不合理、电路时序有隐患，将设计好的电路从FPGA转换到ASIC会面临一定的风险[22]。在芯片化、标准化的后续工作中，实验不含覆盖率的验证，在版图之前还应该注意复位问题、短脉冲问题、时钟树问题，需要对设计进行调整。实际验证过程中，将会遇到很多问题和障碍，这主要是由于FPGA验证实现和ASIC实现之间存在着一些诸如物理结构、速度及电路规模的区别[23-25]。这是项目下一步需要完成的工作。

在本系统模拟验证模块的各种功能，包括手动设置参数、数据存储、无线接收、发送以及相应的指令状态机，水环境信息的传感、放大、采样及A/D变换，整个基于FPGA设计的模块可实现基本的功能和设计要求，3S250e还有足够的资源可以进行扩展。在本项目设计中，采用FPGA的全局时钟，其偏差足够小，布局使用时钟缓冲和驱动，力争具有最小的时钟偏差和最大的扇出[26]。

4 结论

采用基于FPGA设计的远程水环境信息测控模块，能有效实现信息的采样和传输，配合远端的人工智能决策平台可对养殖水环境进行实时测控；其低成本以及后期增加传感器接口的便利，在养殖环境控制等领域的应用具有广阔的前景；FPGA模块功能电路的设计过程及测试结果表明，该模块研究有利于在该项目的后期实现专用芯片的自主化，推进水产养殖专用模块及芯片化进程。

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DesignofwirelessmeasurementandcontrolmoduleforaquacultureenvironmentbasedonFPGA

LINYonghong1，YANGZhuangzhi2，LIUHongtao1,ZHANGXiaoli2,LIUJiaxing2

(1SchoolofSoftware,ChengduPolytechnic,Chengdu610041,China；2FisheriesInstitute,ChengduAcademyofagriculturalandForestrySciences,Chengdu611130,China)

In view of the present condition in the aquaculture in our country where wireless remote information monitoring system is mainly with mature microcontrollers as the core control parts,which is difficult to meet the current situation of special interface requirements and the lack of independent core controllers in the industry.With standardization and chip autonomy as the ultimate goal,a module based on field programmable gate array(FPGA) scheme was proposed to realize AD conversion,digital interface,control output and drive,and aquaculture field data storage and remote communication and control.Through the research and design of the main links of the wireless measurement and control module,the remote measurement and control of the temperature and dissolved oxygen information of the aquaculture were realized by the module of the prototype to the system FPGA functional verification method.The system test and board-level experiment results showed that the design can meet the requirements of water environment measurement and control module with low-costs,scalable interfaces and standardized core controllers.

FPGA;remote measurement and control module;aquaculture

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.06.008

2017-09-19

四川省教育厅重点项目(17ZA0141)

林永宏(1969—)，男，高级工程师，硕士，研究方向：应用电子技术及嵌入式系统应用。E-mail：dse-ltd@126.com

杨壮志(1962—)，男，硕士，研究员，研究方向：水产遗传育种、增养殖技术等。E-mail: yangzhuangzhi8@163.com

TP23；S969.39

A

1007-9580(2017)06-043-07