一種基於單片機的狀態監測系統的製作方法
2023-09-18 15:25:35 3
一種基於單片機的狀態監測系統的製作方法
【專利摘要】一種基於單片機的狀態監測系統，包括：一個接口板單板和多個業務板單板，每個單板包括單片機處理器、電流採集電路、電壓和溫度採集電路、I2C接口，GPIO接口，模擬I2C接口，接口板單板還包括RS485接口，系統採用分布式主從通信結構，接口板單片機做主機，各業務板單片機做從機，通過配置ID號區分各單板。接口板單片機負責收集各單板狀態信息，統一與上位機和外部主控單元進行通信，完成實時監測整機中各單板電源電壓、電流、核心晶片溫度以及外部晶片工作時鐘等狀態參數。本發明具有檢測全面、對外接口簡單、配置項統一、通用性強、實時性好等優點。
【專利說明】—種基於單片機的狀態監測系統【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於單片機的狀態監測系統，具體涉及一種適用於多單板協同運行的狀態監測系統。
【背景技術】
[0002]狀態監測的任務是在設備運行中或在基本不拆卸的情況下了解和掌握設備的運行狀態，採用各種檢測、監視、分析和判別方法，對設備當前的運行狀態做出評估，判斷其處於正常狀態、異常狀態還是故障狀態，為後續的故障定位和故障診斷奠定基礎。
[0003]而對於系統中存在多個單板協同工作的情況，需要對每個單板的狀態進行監測，並將監測結果集中管理，這就需要採用分布式監控技術。對監測系統電壓、電流、溫度等狀態的相關文獻查閱發現，這些監控系統主要存在以下幾種問題:
[0004](I)專利智能型電功能監測儀和黑龍江省電力科學研究院研究的電力系統動態過程在線監測裝置及方法主要是針對各種電器或電力系統的有功功率、無功功率、輸出電壓、電流、頻率等進行監測，並不涉及系統內部狀態的監測，且沒有用到分布式監控技術；
[0005](2)浙江大學研製的多功能環境參數精密監測系統，其監測電路獨立於設備或系統之外，主要監測儀器外部的工作環境，如溫度、溼度，而不是儀器本身的狀態參數；
[0006](3)西安工業大學設計的機載電源檢測系統和復旦大學設計的基於串行通信的分布式監控系統都使用了分布式監控技術，但其採用的是一個PC機與多個單片機進行通信的方法，該方法適用於監控多個系統狀態而不是監控一個系統中多個單板的狀態。
[0007]綜上，這些設計研究都沒有提出一種在多單板上實現分布式監控，完成整機系統各單板狀態實時監測的方法。`
【發明內容】
[0008]本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種基於單片機的狀態監測系統，可對整機中各單板關鍵電源電壓、電流、核心處理晶片的管芯溫度以及外部晶片的工作時鐘進行實時監測，各單板之間採用分布式監控技術，由接口板收集各業務板狀態，並與上位機和外部主控單元進行通信，具有對外接口簡單、配置項統一、通用性強、實時性好等特點，解決了整機在聯調和環境試驗階段在不拆卸的情況下了解和掌握單板內部運行狀態，方便調測人員在整機運行異常時進行故障診斷和解決問題。
[0009]本發明的技術解決方案是:基於單片機的狀態監測系統，包括:一個接口板單板和多個業務板單板，每個單板包括單片機處理器、電流採集電路、電壓和溫度採集電路、I2C接口，GPIO接口，模擬I2C接口，接口板單板還包括RS485接口，其中:
[0010]單片機處理器:處於接口板單板時，單片機處理器ID號設置為0x01，單片機處理器作為主機，運行於接口板工作模式，採集自身工作狀態，查詢並收集各業務板工作狀態信息，接收上位機發送的單板狀態查詢指令，根據查詢指令中的ID號反饋相應單板狀態，並將整機系統狀態信息定時上報至外部主控單元；處於業務板單板時，不同的業務板單板設置不同的ID號:業務板I的ID號設置為0x02，業務板2的ID號設置為0x03，業務板3的ID號設置為0x04，單片機處理器作為從機，運行於業務板工作模式，響應接口板單片機處理器的狀態查詢指令，採集自身狀態信息並反饋至接口板單片機處理器；
[0011]電流採集電路:對5V和28V電源電流進行放大，並轉換為相應的模擬電壓信號；
[0012]電壓和溫度採集電路:採集並轉換單板關鍵電源電壓、外部晶片管芯溫度、電壓和溫度監測晶片的管芯溫度，採集的狀態可根據各單板具體配置不同而不同；
[0013]I2C接口:完成接口板單片機處理器向業務板單片機處理器發送狀態查詢指令，並從業務板單片機處理器接收狀態信息；完成接口板單片機處理器向外部主控單元發送整機狀態信息；接口板單片機處理器、業務板單片機處理器與外部主控單元接在同一 I2C接口上，通過合理設計避免總線資源搶佔；
[0014]GPIO接口:完成將電流採集電路轉換後的模擬電壓信號發送至單片機處理器；完成外部晶片向單片機處理器發送工作時鐘，由單片機處理器的可編程計數陣列PCA捕獲時鐘，計算出時鐘頻率值。
[0015]模擬I2C接口:完成將電壓和溫度採集電路轉換後的電壓、溫度值發送至單片機處理器；
[0016]RS485接口:完成上位機向接口板單片機處理器發送單板狀態查詢指令，並從接口板單片機處理器接收單板狀態信息。
[0017]所述的接口板工作模式下單片機處理器的具體工作過程為:
[0018]單片機處理器首先進行自檢初始化操作，然後進入循環操作；循環操作時，單片機處理器首先檢測狀態更新時間，時間到則收集單板狀態，包括:5V/28V電源電流、關鍵電源電壓、外部晶片管芯溫度、電壓和溫度監測晶片的管芯溫度、外部晶片工作時鐘。然後通過ID號判斷單片機處理器當前處於接口板工作模式，開始執行接口板單片機處理器功能:先檢測上報狀態定時時間，時間到則上報整機系統狀態信息至外部主控單元；其次檢測是否通過RS485總線接收到上位機發送的單板狀態查詢指令，若有則根據指令中的ID號反饋相應單板狀態信息；再次，輪流向各業務板單片機處理器發送狀態查詢指令；最後判斷是否通過I2C總線接收到業務板單片機處理器反饋的狀態信息，接收完成後置業務板狀態接收完畢標誌；完成功能後單片機處理器重新進入循環操作。
[0019]所述的業務板工作模式下單片機處理器的具體工作過程為:
[0020]單片機處理器首先進行自檢初始化操作，然後進入循環操作；循環操作時，單片機處理器首先檢測狀態更新時間，時間到則收集單板狀態，包括:5V/28V電源電流、關鍵電源電壓、外部晶片管芯溫度、電壓和溫度監測晶片的管芯溫度、外部晶片工作時鐘；然後通過ID號判斷單片機處理器當前處於業務板工作模式，開始執行業務板單片機處理器功能:判斷是否通過I2C總線接收到接口板單片機處理器發送的狀態查詢指令，若有則反饋自身狀態信息；完成功能後單片機處理器重新進入循環操作。
[0021]所述的避免I2C總線資源搶佔的方法實現工作流程如下:
[0022](a)系統上電後第一次進入循環，接口板單片機處理器先向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中只包含接口板單板狀態信息；
[0023](b)接口板單片機處理器向業務板I單片機處理器發送狀態查詢指令；
[0024](C)接口板單片機處理器收到業務板I單片機處理器返回的狀態信息，第一次循環結束；
[0025](d)第二次進入循環，向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中包含接口板單板狀態信息和業務板I單板狀態信息；
[0026](e)接口板單片機處理器向業務板2單片機處理器發送狀態查詢指令；
[0027](f)接口板單片機處理器收到業務板2單片機處理器返回的狀態信息，第二次循環結束；
[0028](g)第三次進入循環，向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中包含接口板單板狀態信息和業務板2單板狀態信息；
[0029](h)接口板單片機處理器向業務板3單片機處理器發送狀態查詢指令；
[0030](i)接口板單片機處理器收到業務板3單片機處理器返回的狀態信息，第三次循環結束；
[0031](j)第四次進入循環，向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中包含接口板單板狀態信息和業務板3單板狀態信息；
[0032](k)接口板單片機處理器重新向業務板I單片機處理器發送狀態查詢指令，循環運行步驟(C)?(k)。
[0033]本發明與現有技術相比的有益效果是:
[0034](I)本發明針對多單板協同運行的系統，採用分布式監控技術，實時監測系統內部各單板的狀態信息，包括各關鍵電源電壓、電流、核心處理晶片溫度、外部晶片工作時鐘，檢測全面、實時性好，為整機系統的正常運行提供了可靠的數據依據。
[0035](2)本發明通過配置ID號來區分各單板，各業務板單片機處理器採集的狀態信息匯總至接口板單片機處理器，由接口板單片機處理器統一與上位機和外部主控單元進行通信，對外接口簡單、易於操作。
[0036](3)本發明通信機制設置合理，實現了 I2C單主多從的通信機制，另外在各單板單片機處理器與外部主控單元晶片都掛接在同一 I2C總線的前提下，I2C總線通信時序設置合理，避免了總線堵塞。
[0037](4)本發明能兼容各單板工作模式，配置項統一。包括兩種工作模式:接口板工作模式和業務板工作模式，可以有效減少軟體版本維護帶來的不便；
[0038](5)本發明具有通用性，具備根據系統中單板數量的不同進行擴展和裁剪的能力，應用範圍廣闊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1是本發明基於單片機的狀態監測系統的結構示意圖；
[0040]圖2是本發明基於單片機的狀態監測系統的原理框圖；
[0041]圖3是本發明基於單片機的狀態監測系統的控制流程圖；
[0042]圖4是本發明基於單片機的狀態監測系統為避免I2C總線資源搶佔的方法實現工作流程圖。
【具體實施方式】
[0043]如圖1所示，為本發明基於單片機的狀態監測系統的結構示意圖。多單板協同工作的整機系統由四塊單板組成，分別為:接口板、業務板1、業務板2、業務板3，在具體實施中各業務板對應基帶板、中射頻板和電源板，四塊單板通過接口插槽接插在母板上。配置接口板單片機處理器ID號為0x01，業務板I單片機處理器為0x02，業務板2單片機處理器為0x03，業務板3單片機處理器為0x04。
[0044]如圖2所示，為本發明基於單片機的狀態監測系統的原理框圖。包括一個接口板單板和多個業務板單板，每個單板包括單片機處理器、電流採集電路、電壓和溫度採集電路、I2C接口，GPIO接口，模擬I2C接口，接口板單板還包括RS485接口。本發明在具體實施中，單片機處理器選用SiliconLaboratories公司的C8051F550,電流採集電路中的電流放大器選用MAXM公司MAX9938，電壓和溫度監測晶片選用Analog Devices公司的ADM1063。各業務板單片機處理器與接口板單片機處理器通過I2C接口連接，用於兩者之間通信，同時接口板單片機處理器通過同一 I2C接口連接外部主控單元，用於定時上報整機系統狀態信息，外部主控單元可以是ARM或FPGA。接口板單片機處理器與上位機之間採用RS485接口通信，上位機可查詢任一單板工作狀態。
[0045]單板狀態採集原理如下:
[0046](I)電流:5V和28V電源電流經過MAX9938電流放大器放大後，通過GPIO輸出相應模擬電壓值至C8051F550，該單片機處理器具有雙通道12位ADC，可同時採集兩路電流值。有模擬量輸入時，觸發ADC轉換中斷，通過採集轉換一定次數的模擬值並對其求平均，求得相應的數字電壓值。上位機或外部主控單元接收到數字電壓值後可根據公式解算出電流值。
[0047](2)電壓和溫度:電壓和溫度監測晶片ADM1063轉換精度為12位，具有十個電壓採集通道，用於採集單板關鍵電源電壓，具有一個內部溫度通道，用於採集自身管芯溫度，具有一個外部溫度通道，用於採集外部晶片管芯溫度，外部晶片可以是FPGA。通過模擬I2C總線將採集到的電壓溫度值傳輸至C8051F550。採集的電壓溫度值可根據各單板具體配置不同而不同。
[0048](3)外部晶片工作時鐘:外部晶片為FPGA，由FPGA向C8051F550輸出固定工作時鐘，觸發C8051F550的可編程計數陣列PCA中斷，通過捕獲一定時長的FPGA工作時鐘上升沿的個數，計算出時鐘頻率，從而判斷FPGA工作是否正常。
[0049]如圖3所示，為本發明基於單片機的狀態監測系統的控制流程圖。系統加電或復位後，單片機處理器首先進行自檢初始化操作，自檢初始化正常後方能進入循環操作；循環操作時，單片機處理器首先檢測狀態更新時間，時間到則收集單板狀態，包括:5V/28V電源電流、各關鍵電源電壓、外部晶片管芯溫度、電壓和溫度監測晶片的管芯溫度、外部晶片工作時鐘。然後通過ID號判斷單片機處理器的工作模式，若ID號等於0x01，單片機處理器當前處於接口板工作模式，開始執行接口板單片機功能:先檢測上報狀態定時時間，時間到則上報整機系統狀態信息至外部主控單元；其次檢測是否通過RS485總線接收到上位機發送的單板狀態查詢指令，若有則根據指令中的ID號反饋相應單板狀態信息；再次，輪流向各業務板單片機處理器發送狀態查詢指令；最後判斷是否通過I2C總線接收到業務板反饋的狀態信息，接收完成後置業務板狀態接收完畢標誌。完成功能後單片機處理器重新進入循環操作；若判斷ID號等於除0x01以外的其它值，單片機處理器當前處於業務板工作模式，開始執行業務板單片機功能:判斷是否通過I2C總線接收到接口板單片機處理器發送的狀態查詢指令，若有則反饋自身狀態信息。完成功能後單片機處理器重新進入循環操作。
[0050]如圖4所示，為本發明基於單片機的狀態監測系統為避免I2C總線資源搶佔的方法實現工作流程如下:
[0051](a)系統上電後第一次進入循環，接口板單片機處理器先向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中只包含接口板單板狀態信息；
[0052](b)接口板單片機處理器向業務板I單片機處理器發送狀態查詢指令；
[0053](C)接口板單片機處理器收到業務板I單片機處理器返回的狀態信息，第一次循環結束；
[0054](d)第二次進入循環，向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中包含接口板單板狀態信息和業務板I單板狀態信息；
[0055](e)接口板單片機處理器向業務板2單片機處理器發送狀態查詢指令；
[0056](f)接口板單片機處理器收到業務板2單片機處理器返回的狀態信息，第二次循環結束；
[0057](g)第三次進入循環，向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中包含接口板單板狀態信息和業務板2單板狀態信息；
[0058](h)接口板單片機處理器向業務板3單片機處理器發送狀態查詢指令；
[0059](i)接口板單片機處理器收到業務板3單片機處理器返回的狀態信息，第三次循環結束；
[0060](j)第四次進入循環，向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中包含接口板單板狀態信息和業務板3單板狀態信息；
[0061](k)接口板單片機處理器重新向業務板I單片機處理器發送狀態查詢指令，循環運行步驟(C)?(k)。
【權利要求】
1.基於單片機的狀態監測系統，其特徵包括:一個接口板單板和多個業務板單板，每個單板包括單片機處理器、電流採集電路、電壓和溫度採集電路、I2C接口，GPIO接口，模擬I2C接口，接口板單板還包括RS485接口，其中: 單片機處理器:處於接口板單板時，單片機處理器ID號設置為0x01，單片機處理器作為主機，運行於接口板工作模式，採集自身工作狀態，查詢並收集各業務板工作狀態信息，接收上位機發送的單板狀態查詢指令，根據查詢指令中的ID號反饋相應單板狀態，並將整機系統狀態信息定時上報至外部主控單元；處於業務板單板時，不同的業務板單板設置不同的ID號:業務板I的ID號設置為0x02，業務板2的ID號設置為0x03，業務板3的ID號設置為0x04，單片機處理器作為從機，運行於業務板工作模式，響應接口板單片機處理器的狀態查詢指令，採集自身狀態信息並反饋至接口板單片機處理器； 電流採集電路:對5V和28V電源電流進行放大，並轉換為相應的模擬電壓信號； 電壓和溫度採集電路:採集並轉換單板關鍵電源電壓、外部晶片管芯溫度、電壓和溫度監測晶片的管芯溫度，採集的狀態可根據各單板具體配置不同而不同； I2C接口:完成接口板單片機處理器向業務板單片機處理器發送狀態查詢指令，並從業務板單片機處理器接收狀態信息；完成接口板單片機處理器向外部主控單元發送整機狀態信息；接口板單片機處理器、業務板單片機處理器與外部主控單元接在同一 I2C接口上，通過合理設計避免總線資源搶佔； GPIO接口:完成將電流採集電路轉換後的模擬電壓信號發送至單片機處理器；完成外部晶片向單片機處理器發送工作時鐘，由單片機處理器的可編程計數陣列PCA捕獲時鐘，計算出時鐘頻率值； 模擬I2C接口:完成將電壓和溫度採集電路轉換後的電壓、溫度值發送至單片機處理器； RS485接口:完成上位機向接口板單片機處理器發送單板狀態查詢指令，並從接口板單片機處理器接收單板狀態信息。
2.根據權利要求1所述的基於單片機的狀態監測系統，其特徵在於:所述的接口板工作模式下單片機處理器的具體工作過程為: 單片機處理器首先進行自檢初始化操作，然後進入循環操作；循環操作時，單片機處理器首先檢測狀態更新時間，時間到則收集單板狀態，包括:5V/28V電源電流、關鍵電源電壓、外部晶片管芯溫度、電壓和溫度監測晶片的管芯溫度、外部晶片工作時鐘。然後通過ID號判斷單片機處理器當前處於接口板工作模式，開始執行接口板單片機處理器功能:先檢測上報狀態定時時間，時間到則上報整機系統狀態信息至外部主控單元；其次檢測是否通過RS485總線接收到上位機發送的單板狀態查詢指令，若有則根據指令中的ID號反饋相應單板狀態信息；再次，輪流向各業務板單片機處理器發送狀態查詢指令；最後判斷是否通過I2C總線接收到業務板單片機處理器反饋的狀態信息，接收完成後置業務板狀態接收完畢標誌；完成功能後單片機處理器重新進入循環操作。
3.根據權利要求1所述的基於單片機的狀態監測系統，其特徵在於:所述的業務板工作模式下單片機處理器的具體工作過程為: 單片機處理器首先進行自檢初始化操作，然後進入循環操作；循環操作時，單片機處理器首先檢測狀態更新時間，時間到則收集單板狀態，包括:5V/28V電源電流、關鍵電源電壓、外部晶片管芯溫度、電壓和溫度監測晶片的管芯溫度、外部晶片工作時鐘；然後通過ID號判斷單片機處理器當前處於業務板工作模式，開始執行業務板單片機處理器功能:判斷是否通過I2C總線接收到接口板單片機處理器發送的狀態查詢指令，若有則反饋自身狀態信息；完成功能後單片機處理器重新進入循環操作。
4.根據權利要求1所述的基於單片機的狀態監測系統，其特徵在於:所述的避免I2C總線資源搶佔的方法實現工作流程如下: (a)系統上電後第一次進入循環，接口板單片機處理器先向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中只包含接口板單板狀態信息； (b)接口板單片機處理器向業務板I單片機處理器發送狀態查詢指令； (c)接口板單片機處理器收到業務板I單片機處理器返回的狀態信息，第一次循環結束； Cd)第二次進入循環，向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中包含接口板單板狀態信息和業務板I單板狀態信息； (e)接口板單片機處理器向業務板2單片機處理器發送狀態查詢指令； (f)接口板單片機處理器收到業務板2單片機處理器返回的狀態信息，第二次循環結束； (g)第三次進入循環，向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中包含接口板單板狀態信息和業務板2單板狀態信息； (h)接口板單片機處理器向業務板3單片機處理器發送狀態查詢指令； (i)接口板單片機處理器收到業務板3單片機處理器返回的狀態信息，第三次循環結束； (j )第四次進入循環，向外部主控單元上報整機系統狀態，此時整機系統狀態中包含接口板單板狀態信息和業務板3單板狀態信息； (k)接口板單片機處理器重新向業務板I單片機處理器發送狀態查詢指令，循環運行步驟(c)~(k)。
【文檔編號】G06F11/26GK103810070SQ201310631799
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】劉亞舒, 張少甫, 雷丹丹, 戴宗武, 王欣, 蔣雪 申請人:航天恆星科技有限公司