基于国产 AＲM + FPGA+Codesys运动控制平台的智能人机交互系统设计

Posted 2022-11-24 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

摘 要: 为了满足继电保护领域智能保护装置显示系统的需求，提出了一种基于国产 AＲM 处理器和 FPGA 的智能人机交互系统的设计方案 。 该方案重点阐述了智能人机交互系统的功能架构及硬件设 计方案，并介绍了数据交换和人机交互的软件设计流程 。 实验结果表明，该方案硬件结构简单，系统 物料自主可控且系统安全稳定，能满足电力系统智能保护装置的功能需求。

0 引 言

随着第三代智能变电站的大规模推广应用， 以信息数字化、 平台网络化为标志的智能保护装 置在电力系统中逐渐发挥越来越大的作用 ［1］ 。 作为智能保护装置的重要组成部分，人机交互系 统在信息查看、 定值整定 、 开出传动 、 装置调试等 工作中的重要性日益突出［2］ ，其硬件功能的安全 性与稳定性关系到保护装置运行的可靠性。 当前，国内主流智能保护装置的人机交互系 统是以 AＲM + 交换芯片为架构进行设计的，此种 架构能满足智能保护装置的多数交互需求，但是 在网络风暴的抑制及调试便捷性方面稍显不足。 当前主流的人机交互系统是以国外芯片为基础设 计的，随时都有被限制的可能。 针对以上问题，本文提出了一种基于国产 AＲM 处理器与 FPGA 的智能人机交互系统，实现 了智能保护装置的人机交互功能与装置调试功能， FPGA 的可编程性为智能人机的后续功能开 发升级提供了保障。

1 系统架构及原理

1．1  系统架构

作为智能保护装置的人机交互窗口，智能人 机交互系统不但是装置信息查看、 定值整定 、 开出 传动等继保调试工作的操作界面，而且为装置硬 件调试、 装置故障分析 、 保护装置软件升级等工作 提供了重要接口。 本文提出的智能人机交互系统以百兆以太网 为接口与智能保护装置管理机进行通信，将数字 化、 网络化的装置内部信息转换为可视画面，完成 智能保护装置的人机交互、 装置调试 、 装置故障分 析等重要功能。 系统总体功能架构如图 1 所示 。

系统主要包括以下功能: ① 数据交换功能: FPGA 提供三个百兆以太 网接口，分别连接 AＲM 处理器 、 调试网口和保护 装置，对人机交互信息 、 用户调试信息和装置内部 信息进行交互。 ② 人机交互功能: AＲM 处理器驱动液晶屏， 显示保护装置输出的信息，同时接收液晶屏和按 键输入的用户信息，发送给 FPGA 。 ③ 程序存储与加载功能: FPGA 的位流存储 在外部 Flash 中，在上电过程中， FPGA 会主动通 过 SPI 接口从外部 Flash 中读取位流 。 程序加载 完成，FPGA 开始进行数据交换 。

1． 2 工作原理

智能人机交互系统整体采用液晶屏 + AＲM 控制器 + FPGA 的方案， AＲM 控制器与液晶屏 、 按键和 LED 灯组成人机交互界面，提供保护装置 操作界面并接受用户的按键信息输入; AＲM 控制 器将用户输入的按键信息通过 ＲMII 接口输入 FPGA; FPGA 将 AＲM 控制器中的按键信息和调 试网口中的调试信息传输到保护装置管理机; 保 护装置管理机输出的液晶显示信息和点灯信息经 FPGA 传输给 AＲM 控制器， AＲM 控制器解析显 示信息，刷新液晶屏并点亮 LED 指示灯 。

2 系统设计

系统采用兆易创新的基于 AＲM 架构的 Cor- tex-M4 系列芯片 GD32F450ZI 作为控制器，完成 用户输入信息的采集与液晶屏画面显示; 同时采 用紫光同创的 PGL12G-6ILPG144 芯片作为百兆 以太网的交换芯片，模拟百兆以太网信息的交换 功能，实现人机交互信息、 用户调试信息和装置内 部信息的数据交换。 智能人机交互系统对外提供 液晶屏、LED 灯和按键，供用户进行人机交互; 并 且提供一个调试网口，供调试人员进行装置调试; 对装置内部提供一个以太网接口，供保护装置输 入液晶显示信息、 点灯信息和装置内部信息 。 系 统总体硬件设计如图 2 所示 。

rk3399pro 简介
rk3399pro是 瑞星微新出来的带NPU的ARM芯片，在发布之前，NPU的算力2.4TOPS， 而发现之后实测达到了3.0TOPS，如此强大的计算能力，jetson nano的计算能力是0.47TFlops，两个单位有区别，只能用实际的网络计算来比较二者的算力。

rk3399pro 算力测试
测试条件
硬件：TB-RK3399Pro 3GB内存+16GB闪存
toolkit 版本: toolkit 1.0.0
测试结果

测试结论
yolov3 的表现非常奇怪，但是论坛里 toolkit 0.9能跑到30fps, 这才10fps，可能是官方的测试数据中，网络做了一些修改。
总体来说，rk3399pro的算力非常强大，比我预期的好很多，在不大修改网络的情况下，是可以直接拿来用的，但是缺点也是这个，对一些自定义的网络层，可能无法转换，需要等更新的版本出现。