軟件輔助FPGA實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的方法研究

吳 婷,黃 超,朱懷宇

(國核自儀系統(tǒng)工程有限公司,上海 200241)

0 引言

近年來，信息安全越來越受關(guān)注。軟件容易受到黑客和病毒的入侵，有軟件參與的系統(tǒng)，必然會帶來不確定性。在安全領(lǐng)域，如核電站安全級儀控系統(tǒng)希望使用更安全的、沒有軟件參與的系統(tǒng)?，F(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片內(nèi)部是各種硬件電路的集合體，雖然可編程，但本質(zhì)是各種硬件電路的聯(lián)合運(yùn)行。FPGA搭建的系統(tǒng)在可靠性、可驗(yàn)證性、安全性上優(yōu)于基于CPU搭建的系統(tǒng)。由于FPGA具備高可靠性、易移植、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的特性，其在核電站儀控系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為必然趨勢[1]。

目前，第三代核電站安全監(jiān)控系統(tǒng)是基于CPU的嵌入式操作系統(tǒng)所搭建的，可實(shí)現(xiàn)畫面顯示、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控系統(tǒng)診斷各項(xiàng)功能。本文所探索的、基于FPGA芯片搭建的安全監(jiān)控系統(tǒng)，能替代基于CPU芯片的安全監(jiān)控系統(tǒng)。FPGA芯片可實(shí)現(xiàn)CPU芯片系統(tǒng)的功能：驅(qū)動液晶屏顯示和處理人機(jī)交互；負(fù)責(zé)安全監(jiān)控系統(tǒng)與儀控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互等。

通過FPGA芯片進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)，是采用硬件描述語言來編程的。程序表達(dá)的是電路的真值表達(dá)式，通過查找真值表來實(shí)現(xiàn)其邏輯功能[2]。而硬件描述語言無法將電路與安全監(jiān)控畫面的布局和畫面監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確地表達(dá)出來。因此，需要一套組態(tài)軟件，來輔助FPGA芯片通過電路來實(shí)現(xiàn)畫面的監(jiān)控顯示功能。

1 基于FPGA芯片的安全監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于FPGA芯片的安全監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)核電站安全級儀控系統(tǒng)需求所搭建的，需要滿足儀控系統(tǒng)的接口通信和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲的需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要組成部分如下。

①FPGA芯片：安全顯示系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)所有畫面數(shù)據(jù)的解析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的運(yùn)輸和界面響應(yīng)。

②串口：外部接口，安全性高，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送核電站安全級控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

③網(wǎng)口：外部接口，通信速度快，負(fù)責(zé)下裝組態(tài)生成的各類數(shù)據(jù)。

④DVI和VGA：顯示器接口，負(fù)責(zé)投屏顯示監(jiān)控系統(tǒng)的畫面。

⑤DDR3：快速內(nèi)存，負(fù)責(zé)緩存實(shí)時(shí)性顯示的畫面數(shù)據(jù)，包括需實(shí)時(shí)顯示的變量數(shù)值。

⑥硬盤：固態(tài)硬盤，負(fù)責(zé)存放安全監(jiān)控系統(tǒng)中的各類配置數(shù)據(jù)。

安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是組態(tài)軟件設(shè)計(jì)時(shí)的限制條件。

1.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

一般工控領(lǐng)域的組態(tài)軟件通過直觀的交互式界面，提供圖形組態(tài)。其可分為兩個(gè)步驟：第一步是利用組態(tài)軟件提供的繪圖工具編輯工業(yè)控制系統(tǒng)的工藝畫面，形成靜態(tài)背景圖；第二步是綁定工藝畫面中圖形元素對象和數(shù)據(jù)變量，實(shí)現(xiàn)動畫連接，生成隨實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化而變化的動態(tài)畫面[3]。

而輔助FPGA芯片設(shè)計(jì)的組態(tài)軟件是獨(dú)立于基于FPGA芯片的安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的。其屬于安全監(jiān)控系統(tǒng)，為FPGA提供安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，也就是FPGA芯片進(jìn)行靜態(tài)背景圖和動態(tài)畫面組幀所需要的數(shù)據(jù)。組態(tài)軟件在安全監(jiān)控系統(tǒng)未運(yùn)行(即離線)時(shí)，通過網(wǎng)口設(shè)備將工程師組態(tài)生成的數(shù)據(jù)傳輸給FPGA裝置；同時(shí)，芯片將所接收到的數(shù)據(jù)有序地存放到硬盤設(shè)備中。

組態(tài)軟件需要解決三個(gè)方面的問題，分別是畫面顯示層組態(tài)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)層組態(tài)和組態(tài)信息下裝。由于組態(tài)軟件所處的系統(tǒng)環(huán)境限制，軟件不同于組態(tài)王之類的通用組態(tài)軟件。為了能輔助FPGA實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能，軟件必須緊密結(jié)合FPGA芯片功能特性和需求而進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2 畫面顯示層的組態(tài)

2.1 畫面顯示的組成

安全監(jiān)控系統(tǒng)由至少幾十幅畫面組成，各畫面之間存在跳轉(zhuǎn)關(guān)系和導(dǎo)航關(guān)系?？梢詫⒚糠撁娣纸?，實(shí)現(xiàn)不同功能的、可在窗體上放置的可視化圖形“元件”稱之為一種部件。監(jiān)控系統(tǒng)的界面大多由以下的基本部件組成：數(shù)值顯示、圖形狀態(tài)顯示、報(bào)警燈顯示、趨勢圖形顯示、列表顯示、輸入框、按鈕以及各種工藝部件等。而安全監(jiān)控系統(tǒng)有一些特殊的部件：聯(lián)動的激活框、診斷的心跳轉(zhuǎn)動線、動態(tài)的狀態(tài)流向樹等。

2.2 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)畫面顯示的原理

安全監(jiān)控系統(tǒng)中只有FPGA芯片，因此所有在視頻圖形陣列(video graphics array,VGA)顯示器上顯示的畫面都需要通過FPGA芯片來解決。VGA圖像顯示器是通過CRT逐行掃描或隔行掃描的方式實(shí)現(xiàn)顯示的，即輸入信號自顯示器屏幕上方開始，從左到右、從上到下逐行掃描[4]。圖像的基本組成單元是像素，所以圖像疊加顯示的實(shí)質(zhì)是在像素級為每個(gè)像素點(diǎn)選擇信號，完成像素點(diǎn)的定位(確定行、列位置)和圖像信號的輸出[5]。因此，只要提供安全監(jiān)控畫面中圖像的像素點(diǎn)的RGB值點(diǎn)陣式文件，F(xiàn)PGA芯片通過譯碼提供出圖像信號，可將各種顏色的點(diǎn)、線、面，乃至整個(gè)畫面顯示在液晶屏幕上。除了安全監(jiān)控畫面中的顯示需求外，在不帶操作系統(tǒng)的FPGA芯片的安全監(jiān)控系統(tǒng)中，鼠標(biāo)位置移動和點(diǎn)擊效果、光標(biāo)激活閃爍都需要FPGA芯片通過像素點(diǎn)組幀實(shí)現(xiàn)顯示。

2.3 畫面顯示層組態(tài)方法

根據(jù)FPGA芯片的實(shí)現(xiàn)需求，首先將所有顯示在安全監(jiān)控系統(tǒng)畫面中的每個(gè)部件分解成單個(gè)圖元，包括鼠標(biāo)的狀態(tài)、光標(biāo)。對圖元進(jìn)行分析，需要解決的問題可分為兩類：顯示和響應(yīng)。

在顯示問題上，將所有畫面層圖元進(jìn)行抽象和分離，繪制圖元的矢量圖。通過組態(tài)軟件提供界面，工程師可直接選擇這些圖元；同時(shí)，組態(tài)軟件提供對圖元的縮小和放大功能，且每個(gè)圖元類型均能分別設(shè)置基本屬性和動態(tài)屬性。在組態(tài)軟件中進(jìn)行畫面組態(tài)時(shí)，軟件記錄下界面中的指定坐標(biāo)位置、區(qū)域大小和該區(qū)域需顯示的所有圖元集。FPGA根據(jù)記錄下的信息，找到相應(yīng)的圖元的像素點(diǎn)文件進(jìn)行重新組幀，并在對應(yīng)位置顯現(xiàn)出各個(gè)圖元。其中，圖元的像素點(diǎn)文件是整個(gè)圖元RGB值的集合文件，RGB對應(yīng)紅、綠、藍(lán)3個(gè)分量的一個(gè)M×N×3的3維矩陣，用一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)表示alpha、Red、Green和Blue值[5]。

在響應(yīng)問題上，根據(jù)FPGA芯片狀態(tài)機(jī)的原理進(jìn)行分類，也就是根據(jù)部件的響應(yīng)處理方式來分類。部件類型可分為靜態(tài)顯示類、動態(tài)顯示類、聯(lián)動顯示類、顯示數(shù)字類、使能按鈕類、虛擬鍵盤按鈕類等。根據(jù)不同的類別，組態(tài)軟件提供不同的信息輸入框。FPGA對每個(gè)部件類型的處理都采用不同的算法庫。算法庫執(zhí)行器根據(jù)組態(tài)信息進(jìn)行調(diào)度，完成運(yùn)算數(shù)據(jù)的存取、指定算法塊的計(jì)算[6]；通過解析和重新組幀，就能實(shí)現(xiàn)部件的動態(tài)功能。

畫面組態(tài)最終將每副畫面作為一個(gè)組態(tài)單元，形成整頁的RGB像素矩陣文件，并對畫面中的靜態(tài)部件和動態(tài)部件作分別處理。靜態(tài)部件，如字、線、框，作為一個(gè)圖元，只有顯示功能。對于動態(tài)部件組態(tài)，實(shí)現(xiàn)則比較復(fù)雜，需要標(biāo)記部件所對應(yīng)的變量地址、關(guān)聯(lián)部件或跳轉(zhuǎn)頁面等。這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)層組態(tài)中處理。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的組態(tài)

3.1 顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組成

安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過畫面對核電站安全級控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)安全級控制系統(tǒng)也將實(shí)時(shí)響應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)界面操作所產(chǎn)生的觸發(fā)信號。因此，數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)安全監(jiān)控系統(tǒng)與安全級儀控系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信。

3.2 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的方式

FPGA芯片需要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)變量值的獲取和存儲，以及鼠標(biāo)點(diǎn)擊畫面后的動作解析和發(fā)送。DDR3是高速數(shù)據(jù)采集的首選方案[7]。因此在安全監(jiān)控系統(tǒng)的DDR3中，存放由串口周期性接收的變量實(shí)時(shí)值數(shù)據(jù)幀。界面的觸發(fā)動作根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式要求，由FPGA組幀后直接發(fā)送。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)層組態(tài)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫生成系統(tǒng)是組態(tài)軟件的基本組成部分，數(shù)據(jù)庫生成的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)[8]。組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，分別為輸入數(shù)據(jù)表和輸出數(shù)據(jù)表。組態(tài)軟件提供人機(jī)交互的界面。以輸入數(shù)據(jù)為例，輸入數(shù)據(jù)通過串口上唯一確定的接收端口周期性獲得。通過SQL語句建立其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

create table if not exists RvPoints (

id int primary key,

//序號

PIDName varchar(32),

//變量名稱

Type varchar(10),

//變量類型

Size int,

//變量大小

Offset int,

//變量地址

FrameHeader varchar(10),

//所在數(shù)據(jù)幀的幀頭

FromPort int,

//周期接收的端口號

des varchar(20),

//變量描述

Sort int);

//數(shù)據(jù)幀的排序號

工程師根據(jù)實(shí)際串口連線和實(shí)際數(shù)據(jù)幀的接收順序，對數(shù)據(jù)表中各變量進(jìn)行組態(tài)編輯。輸出數(shù)據(jù)也是通過串口發(fā)送的，同樣有指定的串口和端口，以及發(fā)送后接收地址的信息。

組態(tài)軟件通過輸入數(shù)據(jù)表，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)計(jì)算數(shù)據(jù)內(nèi)存大小，以及每個(gè)變量點(diǎn)對應(yīng)的偏移地址信息。根據(jù)輸出數(shù)據(jù)表，為每個(gè)輸出數(shù)據(jù)提供組態(tài)信息。輸入數(shù)據(jù)表和輸出數(shù)據(jù)表是動態(tài)部件對應(yīng)變量的組態(tài)信息來源。

4 組態(tài)信息下裝

4.1 下裝信息的分類

組態(tài)工具在工程師站上運(yùn)行，需要在組態(tài)完成后將有效信息下裝到FPGA安全監(jiān)控系統(tǒng)中，以支持FPGA實(shí)現(xiàn)功能。以監(jiān)控畫面整體為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，所需的信息如下。

①部件圖元數(shù)據(jù)：畫面中所有顯示部件的RGB點(diǎn)陣像素值數(shù)據(jù)文件。

②頁面數(shù)據(jù)：每幅頁面動靜態(tài)部件位置、大小，以及動態(tài)部件變量的組態(tài)信息。

③配置數(shù)據(jù)：各類支持FPGA組幀的內(nèi)存地址索引表。

4.1.1 部件圖元數(shù)據(jù)

一個(gè)部件的圖元數(shù)據(jù)為一個(gè)RGB像素值數(shù)據(jù)文件。靜態(tài)部件因?yàn)橹挥幸粋€(gè)狀態(tài)，因此只有一個(gè)圖元。而動態(tài)部件有多個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，因此每個(gè)部件都有多個(gè)圖元，其數(shù)據(jù)為一系列的RGB像素值數(shù)據(jù)文件。

而相同類型的部件在各幅頁面上的大小不盡相同。FPGA一般不作復(fù)雜的運(yùn)算，需要組態(tài)軟件將同一類部件的、不同大小的RGB像素值數(shù)據(jù)文件分別進(jìn)行處理。

4.1.2 頁面數(shù)據(jù)

頁面由多個(gè)部件組成。頁面數(shù)據(jù)里存放的是本頁面中所應(yīng)顯示的部件類別、坐標(biāo)位置、大小。動態(tài)部件在多狀態(tài)下顯示的圖元內(nèi)存地址，以及對應(yīng)的變量顯示規(guī)則和實(shí)時(shí)變量在DDR3內(nèi)存中的地址。以模擬量顯示框?yàn)槔鼘儆陲@示數(shù)字類部件，部件類別的編號為xxx。組態(tài)軟件在界面提供人機(jī)交互區(qū)。模擬量顯示的頁面數(shù)據(jù)示例如表1所示。工程師可拖拽部件和調(diào)整選項(xiàng)等。

表1 模擬量顯示的頁面數(shù)據(jù)示例Tab.1 Sample of page data displayed in analog quantity

模擬量顯示部件的對應(yīng)變量可在頁面中組態(tài)填入，而在生成頁面數(shù)據(jù)時(shí)，將被組態(tài)軟件處理成FPGA需要的變量內(nèi)存地址信息。發(fā)送字節(jié)數(shù)為實(shí)際下裝數(shù)據(jù)的長度。

圖像數(shù)據(jù)在存儲器中的常規(guī)存儲方式是以從左至右、從上至下的順序按行緩存，與圖形掃描順次一致，即圖像的每一行像素?cái)?shù)據(jù)均按行存儲[9]。組態(tài)軟件也是從每幅頁面上按照行的方式，對各個(gè)部件根據(jù)圖層順序從上至下逐層掃描，生成圖像的RGB像素矩陣數(shù)據(jù)文件。另外，圖層層級越高的部件掃描刷新順序越往后排，這樣顯示頁面只顯示最后一層刷新到的彩色點(diǎn)。

4.1.3 配置數(shù)據(jù)

FPGA大多具有內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲配置數(shù)據(jù)[10]。而組態(tài)軟件提供的配置數(shù)據(jù)是用于FPGA芯片查表的各類地址索引表。為了減少FPGA芯片的負(fù)擔(dān)，不是所有的地址索引表都需要下裝到FPGA芯片裝置上，而是只提供下裝必須在安全顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)查表的地址索引表即可。運(yùn)行時(shí)不會發(fā)生實(shí)時(shí)變化的索引表，則盡可能直接寫到頁面數(shù)據(jù)中，不下裝到監(jiān)控系統(tǒng)。

不需要下裝的索引表是需要支持頁面數(shù)據(jù)生成的。如表1所示，頁面數(shù)據(jù)需要部件圖元的圖像地址以及變量地址。而這些地址是指存儲在FPGA芯片裝置硬盤或DDR3里的地址，是組態(tài)軟件根據(jù)整個(gè)項(xiàng)目所包含的頁面和變量進(jìn)行整合排序后計(jì)算出的內(nèi)存地址。

需要下裝的索引表是發(fā)送數(shù)據(jù)點(diǎn)的索引表。FPGA根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作，對動作相關(guān)的變量進(jìn)行實(shí)時(shí)查表，并組幀發(fā)送。

另外，系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，如鼠標(biāo)狀態(tài)、阿拉伯?dāng)?shù)字等系統(tǒng)級數(shù)據(jù)，也都是組態(tài)軟件管理的圖元。因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)也是運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)變化的，需要根據(jù)索引表查詢，所以也需要下裝到FPGA芯片裝置中。

4.2 組態(tài)和下裝

4.2.1 組態(tài)下裝的準(zhǔn)備

部件圖元數(shù)據(jù)、頁面數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)之間是有相互關(guān)聯(lián)性的。組態(tài)軟件在生成組態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，需要考慮它們之間的相互依賴性，使最底層的最先生成。數(shù)據(jù)生成順序如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)生成順序Fig.1 Sequence of data generation

4.2.2 下裝的方式

如1.1節(jié)所述，F(xiàn)PGA芯片裝置系統(tǒng)中的硬盤和DDR3用于存儲數(shù)據(jù)。

①硬盤中存放大數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)，如部件圖元數(shù)據(jù)、頁面數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)等。

②DDR3中存放安全顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)需要的數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)和當(dāng)前頁面所需的數(shù)據(jù)。

因此，組態(tài)軟件只需要負(fù)責(zé)對硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)下裝。組態(tài)軟件生成的組態(tài)信息，按照用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(user datagram protocol,UDP)，通過網(wǎng)口下裝到FPGA芯片裝置硬盤上。DDR3中的數(shù)據(jù)由FPGA芯片負(fù)責(zé)讀取和存儲。

4.2.3 安全下裝

組態(tài)軟件向FPGA芯片裝置下裝數(shù)據(jù)時(shí)，為了保證下裝數(shù)據(jù)的完整性，設(shè)計(jì)發(fā)送數(shù)據(jù)開始標(biāo)志和數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束標(biāo)志的數(shù)據(jù)包，以保障數(shù)據(jù)幀的完整性。

5 結(jié)論

雖然組態(tài)軟件是安全監(jiān)控系統(tǒng)的輔助工具，但它作為關(guān)鍵性工具，必不可少?；贔PGA芯片的安全監(jiān)控系統(tǒng)有了組態(tài)軟件的輔助，使得此方案實(shí)現(xiàn)更加靈活、便捷，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜度較高的監(jiān)控畫面。而以FPGA芯片替代CPU芯片，使用全硬件的方式實(shí)現(xiàn)安全領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)是發(fā)展趨勢，不依賴任何嵌入式操作系統(tǒng)，具有更長的生命周期。組態(tài)軟件的離線性能也保障了此方案的安全性。目前，本文研究的方法在國際上具有領(lǐng)先水平，能促進(jìn)軟件在更大范圍的應(yīng)用。