（电路与系统专业论文）基于SNMP的嵌入式UPS监控系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 u p s o j n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m ) ，即不间断电源，是能够给计算机等电力电 子设备提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要设备。在市电不稳定时，u p s 可 避免被供电设备遭受突然断电、浪涌冲击等危害，使其较为稳定地工作。但u p s 的备用时间有限，且在其工作期间也可能出现各种异常情况。u p s 管理人员需要随 时了解设备运行时的电力环境，掌握u p s 的工作状况。而当前一些u p s 都是使用 r s 2 3 2 或r s 4 8 5 的串口监控策略，采用人工值守的方式进行管理的。当u p s 的地 理位置比较分散时，管理监控会受到传输距离的限制。智能型u p s 是当今u p s 的 一大发展趋势，它通过集成网络接口与计算机进行通讯，从而使网络管理员能够通 过网络监控u p s ，并能实现分布式管理。网络通信协议选用的是s n m p ( 简单网络 管理) 协议。s n m p 以其简单灵活、网络负载小、扩展性强、易于在大规模的网络 上实现等优点被广泛采用，已成为基于t c p i p 网络管理的协议标准。 本文通过简述u p s 的工作原理及工作模式来引入u p s 监控系统，然后分析了 u p s 监控系统的组成及监控技术的发展现状，在此基础上提出了一种基于s n m p 协 议的嵌入式u p s 监控系统方案，该方案设计了基于$ 3 c 4 5 1 0 b 和p c l i n u x 操作系统 的硬件s n m p 卡，完成了由u p s 的串口监控到网络监控方式的转换，实现了在s n m p 标准协议的基础上对u p s 进行网络管理和监控的目标。 在硬件电路设计方面，本文分别介绍了s 3 c 4 5 1 0 b 外围电源电路、存储器扩展 电路和以太网控制及驱动电路，并针对这些硬件电路，分别给出了调试方法和过程。 在监控系统的嵌入式软件设计方面，分别介绍了b o o f l o a d e r 的移植、p c l i n u x 的移植和s n m p 软件包的开发，重点讲述了s n m p d 代理的扩展及基于l 忸c l i n u x 的 s n m p 应用程序设计，通过分析串口m e g a t e c 协议，明确了u p s 的监控内容，设 计了m i b 库，实现了由串口监控到基于s n m p 协议的网络监控的转变，基本达到 了设计要求。 论文最后给出了系统测试结果及完成情况，并提出了不足和今后努力的方向。 关键词：u p s ；s n m p ；监控系统；l 咀c l i n u x ；$ 3 c 4 5 1 0 b a b s 仃a c t u p s ( u n i n t e r m p t i b l ep o w e rs y s t e m ) ，a nu n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m , i sa n i m p o r t a n te q u i p m e n tt h a tc a np r o v i d es u s t a i n e d ，s t a b l ea n du n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y f o rc o m p u t e r sa n do t h e re l e c t r o n i cd e v i c e s w h e ne l e c t r i c i t yi si n s t a b l ei nt h ec i t y ，u p s c a l la v o i dt h ee q u i p m e n ts u f f e r i n gf r o mas u d d e np o w e rf a i l u r e ，s u r g ei m p a c ta n do t h e r h a z a r d s ，i no r d e rt om a k et h e mw o r k m o r es t a b l e h o w e v e r , u p sb a c k - u pt i m ei sl i m i t e d ， a n dd u r i n gi t sw o r k t i m ei tm a yb r i n ga b o u tav a r i e t yo fs p e c i a la n o m a l i e s u p s m a n a g e r sn e e du n d e r s t a n dt h ee x a c tr u n t i m ep o w e r e n v i r o n m e n to ft h ee q u i p m e n ta ta n y t i m ea n dm a s t e rt h eu p s sw o r ks t a t e r e c e n t l y , u p su s e st h es t r a t e g i e st l l a tr s 2 3 2o r r s 4 8 5s e r i a lp o r tw i l lc o n t r o lt h ee q u i p m e n t ，a n dt h em a n a g e m e n tm e t h o d so fm a n u a l w o r ko nd u t y w h e nt h eu p ss c a t t e r e da td i f f e r e n t g e o g r a p h i c a ll o c a t i o n , t h e t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ew i l lb ec o n s t m i n t e d s m a r tu p si st h et r e n do fi t st o d a y d e v e l o p m e n t , c o m m u n i c a t i n g 晰mt h ec o m p u t e rt h r o u g hi n t e g r a t e dn e t w o r ki n t e r f a c e s ， s ot h a tt h ea d m i n i s t r a t o rc a l lm o n i t o ra n dc o n t r o lu p st h r o u g hn e t w o r ka n dr e a l i z e d i s t r i b u t e dm a n a g e m e n t n e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li ss n m p ( s i m p l en e t w o r k m a n a g e m e n t ) p r o t o c 0 1 s n m pa l ew i d e l yu s e df o ri t s a d v a n t a g e s ，t h a ti ss i m p l ea n d f l e x i b l e ，i t ss m a l ln e t w o r kl o a d ，b es t a b l ea n de a s yt or e a l i z ei nl a r g e s c a l en e t w o r k0 1 1 t h ei n t e r a c t , i th a sb e c o m ep r o t o c o ls t a n d a r d sb a s e do nt h et c p | i pn e t w o r k m a n a g e m e n t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fu p sa n du p sm o d e l ，i n t r o d u c i n ga m o n i t o r i n gs y s t e m , a n a l y z i n gt h ec o m p o s i t i o no fu p sm o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h e d e v e l o p m e n to fm o n i t o rt e c h n o l o g ya tp r e s e n t ，a n dp r o p o s i n gap r o g r a m eo fe m b e d d e d m o n i t o r i n gs y s t e mf o ru p s b a s e do nt h es n m p t h ep r o g r a m ei sd e s i g n e da sas n m p h a r d w a r ec a r db a s e do n $ 3 c 4 5 10 ba n dl l l c l i n u x o p e r a t i n gs y s t e m , c o m p l e t i n gt h e t r a n s f o r m a t i o nf r o ms e r i a li n t e r f a c e st ot h en e t w o r kf o ru p s ，r e a l i z i n gt h eo b j e c t i v e so f m o n i t o r i n ga n dm a n a g i n gt h eu p ss y s t e mt h r o u g hn e t w o r k i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ec i r c u i t sh a v e b e e ni n t r o d u c e d ，s u c ha s $ 3 c 4 510 b e x t e r n a lp o w e rs u p p l yc i r c u i t , m e m o r ye x p a n s i o nc i r c u i ta n de t h e r n e tc o n t r o la n dd r i v e c i r c u i t , s h o w i n gt h ep r o c e s so fd e b u g g i n gf o rt h e s ec i r c u i t sr e s p e c t i v e l y t h ee m b e d d e ds o f t w a r eh a v eb e e nm a d ei nt h em o n i t o r i n gs y s t e m t h ep a p e r i n t r o d u c e sb o o t l o a d e rp o r t i n g ，l a c l i n u xp o r t i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to fs n m p p a c k a g e s ， f o c u s i n go nt h ee x p a n s i o no fm m p da g e n ta n dt h es n m p b a s e da p p l i e dd e s i g nw i t h i x c l i n u x i td e f m i t e su p sm o n i t o t i n gc o n t e n t s ，d e s i g n i n gt h em md a t a b a s e , a n d a c h i e v i n gt h ec h a n g e sf r o ms e r i a lm o n i t o r i n gt os n m p - b a s e dn e t w o r km o n i t o r i n ga n d 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n tb a s i c a l l yt h r o u g ht h ea n a l y s i so fs e r i a lm e g a t e c p r o t o c 0 1 f i n a l l y ，t h ep a p e rp r e s e n t st h er e s u l t so ft h es y s t e mt e s t sa n dt h ec o m p l e t e ds i t u a t i o n , w i t l lt h e r e p r e s e n t a t i o no fs o m ew e a kp o i n t sa n d f u t u r ed i r e c t i o n s k e yw o r d s ：u p s ；s n m p ；m o m m r & c o n t r o ls y s t e m ；r t c l i n u x ；$ 3 c 4 5 1 0 b 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 徐瑟耳 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套阅和借阅。本人授权华中师范大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同意华中师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传 播学位论文的全部或部分内容。 作者签名：徐墨车 日期：知听年6 月厂日 导师签彩方蝴 日期：子叫年月f 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童论塞提窒卮进蜃；旦堂生；旦二生i 旦三生筮查! 作者签名：徐琶罕 日期：知1 年6 月乡日 导师签彤孝k 以 日期：州年( ，月f 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1u p s 介绍 第一章绪论 u p s ( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m ) ，即不间断电源，是一种含有储能装置，以 逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，主要用于给计算机或其它电力电 子设备提供不间断的电力供应。当市电中断时，u p s 可立即将机内电池的电能，通 过逆变转换的方式向负载继续供应2 2 0 v 交流电，使负载维持正常工作并保护负载 软、硬件不受损坏” 1 】。u p s 的工作原理如图1 所示【2 】： 维修旁通开关 输入 图lu p s 工作原理图 u p s 从结构上大致可划分为整流电路、逆变电路、电池组充电电路、旁路等几 大部分。根据工作情况，又可将u p s 的工作模式可分为以下几种： ( 1 )正常逆变模式：将输入的带有各种干扰的市电整流为幅值稳定的直流电后， 送到逆变器的输入端，逆变器将其逆变成标准的5 0h z 的正弦波电源。在此 模式中，当蓄电池组未充满电时，母线还会给电池组充电： ( 2 )电池工作模式：当市电中断、市电过高或市电过低时，系统将蓄电池的直流 电压提升到符合逆变器输入要求的电压水平，经逆变器逆变成交流电后向负 载输出电源； ( 3 ) 旁路工作模式：当整流器或者逆变器出现故障时，u p s 通过旁路直接将输入 的市电作为输出电源进行供电【3 1 。 1 2 课题的提出 u p s 已经历了4 0 多年的发展，在这个漫长的过程中，u p s 设备的功能和技术 水平都在不断地完善。当今的u p s 设备无论在输出容量，还是在基本性能、智能化 管理、可维护性、可靠性上，都得到了飞速发展。然而，随着管理信息技术的高速 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 发展和网络时代的到来，用户对以u p s 为核心的整个供电系统的可用性、可维护性、 可管理性和可扩展性都提出了越来越高的要求，他们关心的重点开始从仅仅强调 u p s 本身的设计，转移到整个供电系统的可用性上。当u p s 在供电过程中出现故 障或电池电量耗尽时也会对用户造成很大损失，为了保障用户的供电安全，要求 u p s 设备本身不仅仅能具有不问断电源的作用，而且应具备方便管理的功能，尤其 是应具有非常安全可靠的远程监控的功能【4 l 。 1 3u p s 监控系统 要实现u p s 的管理，就必须建立有效的u p s 监控系统。一个完整的u p s 监控 系统是由硬件和监控软件两部分组成的。 1 3 1 u p s 监控系统硬件接口 u p s 的监控硬件接口主要有以下几种：干接点；r s 2 3 2 ；a s 4 0 0 接口：网络接 口。其中，a s 4 0 0 接口是针对i b m 电脑设计的；网络接口则能够使u p s 无须通过 电脑设备就可以连上网络，通过网络对u p s 进行监控；r s 2 3 2 通信接口既可以通过 监控软件实时监控u p s 电压、电流、频率、负载容量等，还能侦测停电、电池电量 不足等情况，并且可以设置u p s 开关机时间；干接点与r s 2 3 2 类似，可以发送停 电和电池电量不足的相关信息，还可以接收电脑发出的关机信号1 5 。 1 3 2u p s 监控系统管理软件 u p s 监控系统管理软件的主要作用是在特定事件发生时通知用户和管理员，并 能自动采取应急保护措施。u p s 监控软件主要有两种【5 j ： ( 1 ) 安装在单台计算机上的软件1 5 1 u p s 使用r s 2 3 2 与计算机连接，可通过计算机观察、记录u p s 的各种工作参 数，也可在u p s 出现故障或电池供电达到指定时间后将计算机中的数据自动保存， 然后退出并关闭系统等，避免因电力中断而造成数据资料的损失，以实现数据的完 整性保护。 ( 2 ) 网络监控软件p j u p s 通过网络接口与计算机连接。该u p s 集成网络接口后，可作为网络上的 一个节点，拥有独立的口地址，网络上的用户和网络管理员只要在网络监控软件 中输入连接u p s 的i p 地址，即可看到u p s 的相关信息。当出现特殊情况时，软 件还可以通过呼叫、邮件等方式通知管理维护人员。当u p s 因故障或电池电压低而 无法工作时，软件可以自动关闭指定的一台或多台服务器。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 1 3 3u p s 监控模式分类 根据u p s 监控系统接口和监控软件的不同，可以将u p s 系统监控模式分为以 下几种【5 j ： ( 1 ) 基于串行通信方式的监控方式：串行通信是传统的u p s 通信方式，其优点是 安全、可靠、安装简单，但其局限性是通信距离短。 ( 2 ) 基于s n m p ( 简单网络管理协议) 的监控方式：这种技术与网管产品的发 展有紧密的联系，主要是指用网管软件作为监控软件，用于u p s 数量多、分布广的 网络中。 ( 3 ) 基于w e b 的监控方式：这种方式是随着i n t e r a c t 的发展而诞生的，计算机通 过t c p i p 协议与u p s 通信，系统管理员通过w e b 浏览器对分布在广域网范围内的 u p s 进行监控。 ( 4 ) 基于m o d e r n 电话寻呼网络方式的监控方式：通过拨号上网的方式，使用 i n t e m e t 浏览器实现u p s 的远程监控。 1 4 课题的研究内容 目前，大多数u p s 监控管理所采用的是传统的基于串口的通信方式。但由于这 种监控方式主要利用r s 4 8 5 和r s 2 3 2 接口进行，这两种接口都有传输距离限制， 不能实现任意的远距监控【6 j 。且传统管理方法采取人工值守的方法对供电系统进行 管理，需消耗巨大的财力和物力，对供电系统的测试也非常不便【5 l 。 应用s n m p 协议的嵌入式设备管理则可以随时随地在各种平台对u p s 进行管 理，从而成为u p s 管理技术中独树一帜的技术。在网络管理体系中，几乎所有的网 络管理软件都支持s n m p 协议。“s n m p 以其简单灵活、网络负载小、扩展性强、 易于在大规模的网络上实现等优点在互联网上被广泛地采用，已成为基于t c p i p 网络管理的事实上的协议标准”p j 。 本课题提出一种基于s n m p 的u p s 网络监控管理方案。该方案实际上就是要制 作一种嵌入式s n m p 卡，它在硬件上能实现串口到以太网接口的转换，在软件上嵌 入操作系统和s n m p 网络标准协议，使得任何具有串口的u p s 设备在接入嵌入式 s n m p 卡后不仅具有连网的能力，并且能作为一台标准的被管理设备，便于统一管 理。由于s n m p 为标准的网络管理协议，一般的网络管理软件都支持这种协议，因 此网管人员不需要改动任何硬件或软件，且在管理上，能实现分布式管理，只要将 此卡插入u p s ，即可使u p s 成为一台拥有独立口的网络被管理设备。当需要添加 监控参数时，也不需改动硬件设备，只需在m i b ( 管理信息库) 中添加相应的变量， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 可方便地进行扩展。同时，还可以保证u p s 的原监控接口不变，当用户需要时选配 这种s n m p 卡，就可以实现网络管理。 目前，已有很多国外电源公司如艾默生网络能源有限公司、梅日梅兰公司等已 经开发出了功能齐全的嵌入式s n m p 卡，能支持远程登录( t c l n c t ) 及w e b 浏览器， 即使用户没有s n m p 网管环境，也可以在字符界面下或w e b 浏览器中通过计算机 网络对u p s 实行远程监控。这种卡已在市场上有售，但价格昂贵。当用户要求电 源公司售出的u p s 须配备这种嵌入式s n m p 卡时，电源公司只好向已经开发出这 种卡的公司购买，但当卡出现故障时，只能求助于出售该卡的公司的技术支持，不 方便维护。因此，受广东易事特电力系统有限公司( 以下简称易事特) 委托，需自 主研发，专门为易事特电源公司量身定做这种嵌入式s n m p 卡，这样，不仅能满足 要求，还能保证在自主研发的基础上保障后续的管理和维护。 本系统所研究的u p s 为易事特公司所生产的型号为e a 8 9 0 的三进三出u p s 。 1 5 论文主要工作及安排 论文所要做的工作是：设计硬件电路，移植操作系统，开发应用程序等。论文 的主要安排如下： 第一章绪论，首先介绍u p s 的概念，然后分析了u p s 监控系统的组成及u p s 监控方面国内外的研究现状，同时提出了本系统开发的背景，最后介绍了本论文的 主要工作及安排。 第二章为系统总体方案设计。首先分析了系统的功能需求，提出了拟解决的关 键问题，针对这些问题，在分析已有的解决方案的基础上，提出了自己的具体设计 方案。 第三章为系统硬件设计，首先介绍了处理器的选型和c p u 的相关资源，然后重 点介绍了针对本系统所设计的电源电路、存储器扩展电路、网络模块设计电路等硬 件电路的设计方案。 第四章介绍操作系统移植方面的工作，包括b o o t l o a d c r 和l l c l i n u x 操作系统的 移植。 第五章介绍了基于l i n u x 操作系统的s n m p 管理系统的开发以及s n m p 软件包 在i 上c l i n u x 操作系统上的移植，并给出了基于i i c l i n u x 的应用程序设计，实现了数 据由串口到网络的转化。 第六章给出系统测试结果。 第七章总结了系统已完成的功能，并提出系统存在的不足和今后努力的方向。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 功能需求分析 第二章系统总体设计 随着网络信息的发展，当今u p s 要求须具备的网络监控作用如下1 8 1 ： ( 1 ) 可集中监控用户网络中所有的u p s ，比较适用于网络规模大，设备数量多， 且分布范围广的用户，如银行，证券等，通过广域网监控u p s 的用户，管理员可以 在全球任意地区通过i n t e m e t 来监控和管理u p s ； ( 2 ) 实时后台侦听u p s 设备故障告警，并能以图像、声音、电子邮件( e m a i l ) 等方式向有关人员发送告警信息，并同时能保存在事件记录数据库中，以备管理人 员查询； ( 3 ) 可远程监测u p s 的各种状态： ( 4 ) 能以多种方式方便有效的查询事件历史记录和故障记录； ( 5 ) 可任意组合网络上的u p s 设备，进行即时控制、定时开关机、定时自测等： ( 6 ) 可远程对u p s 方便、安全地进行配置修改。 2 2 拟解决的关键问题 根据以上要求，本文拟针对易事特的u p s 只能通过串口监控的实际情况，需解 决的关键问题有如下几点： ( 1 ) 保持u p s 本身的设计结构不变，使得u p s 不仅仅能使用r s 一2 3 2 串口监 控，而且能保持原接口的基础上实现u p s 连网，使之能作为一台网络被管理设备， 能方便地实现网络管理。 ( 2 ) 由于u p s 在各个公司、企业及大型工厂中分布的地理位置比较分散，且 工作环境比较恶劣，因此对于u p s 的管理人员来说，人工值守的方法已不适用。这 就需要u p s 本身能实现分布式网络管理。 ( 3 ) 可扩展性。当设备需要添加新的管理信息和管理项时，最好能保持原硬件 不变，这就要求所选择的方案必须具备很强的可扩展性。 2 3 系统功能说明 如图2 所示为整个监控系统的功能结构框图。整个监控过程为：嵌入式s n m p 卡通过串口收集u p s 发来与u p s 工作状况和监控相关的信息和参数，再利用s n m p 协议将其转化为m i b 库中节点变量的值，网络管理软件或者w e b 浏览器可通过网 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 络查询或设置操作来获得这些监控信息。 任意一 图2 系统功能结构框图 单个嵌入式s n m p 卡的结构如图3 所示。对于嵌入式s n m p 卡来说，首先需针 对系统需求，定义与u p s 监控参数有关的管理信息库，将其保存到卡内。s n m p 卡收集u p s 从串口上发出的数据，将其与信息库中所定义的参数对应后保存起来， 并定时向网络管理软件发送需随时了解的信息。对于支持s n m p 协议的网络管理软 件，只能对m m 库中的变量进行操作，当网络管理软件发送查询或者设置节点命令 时，s n m p 卡在软件的节点处理函数中根据u p s 的串口通信协议向u p s 发出相应 的命令，并将得到的结果返回给网络管理软件。 s n l p 广 1卜 以太网 卅卜 网络管理软件 l 串口 串口卜卜- - m i b 库h l 一 接口 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ 一 监控系统硬件平台 图3 嵌入式s n m p 卡结构框图 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 4 设计方案介绍 2 4 1 系统方案选择 除了公司之外，许多高校和研究所也进行了这种嵌入式s n m p 卡的研制。华中 科技大学、东北大学、上海交通大学等高校均进行了相关研究。目前实现方案有以 下几种： ( 1 ) 单片机+ 网络接口芯片r t l 8 0 1 9 s + 存储器斗t c p i p 协议栈+ w e b 服务器 4 1 。 这种方案虽然能通过w e b 方式实现对u p s 的监控，且成本也较低，但系统健壮性 较差，资源几乎被用完，且不易于扩展。不适合设计要求。 ( 2 ) s 3 c 4 5 l o b + r 1 l 8 2 0 1 + 存储裂引，不带操作系统，使用的是t c p i p 协议，通 过t c p 协议传输数据，虽然在一定程度上提高了数据传输的可靠性，但是需要自己 设计数据转发方式，没有统一的标准，不便于统一管理，也不便于扩展。 ( 3 ) s 3 c 4 5 l o b + d m 9 1 6 l + 存储器+ 操作系统，这种方案中，操作系统可选用带 s n m p 协议的l x c l i n u x ，这样不仅能实现串口到网络接口数据的转换，还能使用s n m p 协议标准进行统一管理，且方便扩展。本系统采用的是这种设计方案。 2 4 2 本系统具体设计方案介绍 在整个设计中，按照硬件到软件的顺序，可以将系统分成如图4 所示的层次。 s n m p 应用程序 pc 1i n u x 操作系统 u b o o t 基于$ 3 c 4 51 0 b 的硬件平台 图4 系统总体方案层次图 硬件c p u 选择的是性价比高、且自带以太网控制器的$ 3 c 4 5 1 0 b ，外加网络物 理层芯片，外围扩展存储器电路，与串口模块电路一起，构成一个串口到网络接口 转换的硬件平台。为了加快开发周期，软件选择了内核小、稳定性高、开源、具有 优异的网络能力和文件系统支持的l _ t c l i n u x 操作系统；且l x c l i n u x 中包含s n m p 的 开发软件包，可以很方便地实现s n m p 协议。操作系统启动需要一个引导过程，嵌 入式设备中实现这个引导过程的程序叫做b o o t l o a d e r ，b o o t l o a d e r 有很多版本，本系 统使用的是u b o o t 。在i _ t c l i n u x 中添加s n m p 应用程序，它的作用是通过接收u p s 串口发出的监控量来更新m i b 库中相应的变量，以供上层网络管理软件查询；也可 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 以通过接收上层网络管理软件发来的设置操作来改变m i b 库变量的值，并通过串口 传给u p s ；当u p s 有紧急信息时，会通过串口发出报警，s n m p 应用程序接收到报 警后会通过s n m p 的t r a p 操作向上层管理软件报告这种紧急事件。 下面将分章节详细讲述每个层次的实现过程。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第三章系统硬件设计弟= 覃糸z 允馒仟砹计 3 1 嵌入式处理器选型 嵌入式处理器选型主要解决的问题就是根据实际需要和条件确定具体的硬件平 台，即要确定具体的嵌入式处理器【1 0 1 。针对系统需求，对处理器有如下要求【l ： ( 1 ) 体积小，功耗低； ( 2 ) 性价比高，可规模化生产； ( 3 ) 硬件系统要有一定的资源，包括处理器的寻址能力和片内资源、i o 接口、存 储器容量等； j ( 4 ) 良好的网络性能，适应1 0 m 1 0 0 m 局域网； ( 5 ) 便于操作系统移植和应用软件开发； ( 6 ) 技术完备，开发经验成熟。 结合现有的处理器性能、体积、价格、外设的可扩展性以及现有的处理器系统 的应用性研究等因素，综合考虑决定使用s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片( 以下简 称4 5 1 0 ) 。 3 2 基于s 3 c 4 51 0 b 的系统总体硬件设计 根据2 1 节所述的要求，系统硬件总体设计如图5 所示。 图5 系统硬件框图 。9 - 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 整个系统的硬件设计包括以下几个部分： ( 1 ) 电源模块：给整个系统提供电源。 ( 2 ) 复位电路：提供手动复位和看门狗功能。 ( 3 ) 晶振电路：使用内部锁相环电路，可降低系统所用的晶振频率。 ( 4 ) 存储器模块电路：为系统的软件和应用程序系统提供存储空间。 ( 5 ) 以太网模块接口电路：实现以太网连接功能。 ( 6 ) 串口模块电路：两路串口，一路提供与u p s 通信的接口，另一路提供调 试信息查看接口。 ( 7 ) j t a g 调试接口：为整个系统提供调试接口。 3 2 1 $ 3 c 4 51 0 bc p u 简介 4 5 1 0 是基于以太网应用系统的高性价比的1 6 3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t i n g 精简指令运算集) 微控制器，内含一个a r m 7 t d m i 处理器核， a r m 7 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场 合。除了a r m 7 t d m i 核以外，4 5 1 0 比较重要的片内外资源还包括【1 2 l ：集成了以 太网媒体访问控制器。2 个u a r t 通道。2 个3 2 位定时器。全1 6 3 2 的r i s c 架构。支持大、小端模式。基于j t a g 接口的调试方案和边界扫描接口。支 持r o m s r a m 、f l a s h 、d r a m 和外部i o 接口。( 查) s 1 6 3 2 位的方式操作和可编 程的访问周期等。 综合以上特性，4 5 1 0 的开发经验成熟，且性价比高，方便扩展存储器，具有以 太网控制器，使用2 0 8 引脚的l q f p 封装，适合于大规模生产，因而适合于此系统 的开发。 3 2 2 电源模块电路设计 4 5 1 0 要求的工作电压为3 3 v ，偏差不超过5 。由于系统与u p s 接口时，使用 的是u p s 提供的2 0 v 的预留接口电压，因此对于稳压器的选择来说，要求输入输 出压差为1 6 7 v 。稳压器的选择有2 种方案：线性稳压器和开关稳压器。线性稳压 器在保证输出电压稳定的条件下，只有输入输出电压差越低，线性稳压器的性能才 越好，且它的效率近似为输出电压与输入电压之比【1 3 1 ，这里如果采用线性稳压器， 则稳压性能不好，效率太低，会浪费很多电能，且会造成芯片发热影响系统稳定性； 而开关稳压器在输入输出电压差较大的情况下，仍然能保证有较高的工作效率，且 损耗低。因此选择开关稳压器作为系统的稳压单元电路的核心。电路如图6 所示， 将u p s 输出的2 0 v 电压作为输入，经过开关电源芯片l m 2 5 7 5 3 3 之后，输出3 3 v 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的电压，给整个系统供电。 jf鼍r 图6 系统电源模块稳压单元电路 3 2 3存储器模块设计 4 5 1 0 内部只包含8 k 的s r a m ，这对于整个系统的需求来说是远远不够的。整 个系统应运行和存储操作系统，因此需扩展存储器。4 5 1 0 存储器映射如图7 所示。 ji r e s e r v e x l j 1 6 i e s p e c i a lr 昭i s 6 盯b a n k j o 4 0 i n t e r n a ls r a m ji e x t e m a li 幻b a n k3 e x t e m a ii ob a n k2 4 个外自 每 e x t e m a li ，0b a n kl e x t m l a i i o b a n k 0 1，了 d r a m ，s d i u u “b a n k3 d r a m ，s d r a mb a n k2 d r a 淞d r a mb a n ki d r m s d r a mb a n k0 r 0 h 鹏r m ，f i a 对ib a n k5 r o m 愿r a m f l a s hb a n k4 r o m 虑r a m 窿i a s hb a n k3 r o m ，s r a m f l a s hb a n k2 r o m s r a m ，f l a s hb a n kl r o m 愿r a m ，同a s hb a n k0 专 1r 注：可将每个组定位在6 4 m b 地址空问的任意位置 图7 系统存储器映射 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 4 5 1 0 采用统一编址的方式，将系统的各类存储器( 如f l a s h 、s r a m 、s d r a m 等) 、外设、特殊功能寄存器等都映射到该地址空间。为了便于管理，又将地址空 间分为若干个小块，每一个小块称为一个存储器组( m e m o r yb a n k ) ，通常由硬件 电路提供每一个存储器组的选择信号。如图所示为4 5 1 0 的存储器分组情况【1 2 j 。系 统存储器扩展包括两部分：一部分为s d r a m 的扩展，另一部分为f l a s h 的扩展。 下面分别介绍这两种存储器扩展的接口电路。 一、f l a s h 扩展接口电路 系统使用的f l a s h 型号为：a m 2 9 l v l 6 0 d b ，是a m d 公司生产的一款f l a s h 。 a m 2 9 l v l 6 0 d b 的单片存储容量为1 6 m 位( 2 m 字节) ，工作电压为2 7 v 3 6 v ，采用4 8 脚t s o p 封装，可以以8 位( 字节模式) 或1 6 位( 字模式) 数 据宽度的方式工作。a m 2 9 l v l 6 0 d b 仅需单3 v 电压即可完成在系统的编程与擦 除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 进行编程( 烧 写) 、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作1 4 1 ，其存储容量为2 m b 。 如图8 所示为1 6 位f l a s h 存储器系统的实际应用电路图。 a 1 5l a 1 42 a 1 5 a 1 6 a 1 33 a 1 4b y l e a 1 24 0 j jn 黛 a 儿 5 r、-二j_“ f l a s hi d ，i n f o v s n 【i 】 c a c t i ed i s a b l e m a s k ，0 x f f ，c f g _ f l a s he r a s e _ t o u t ) ；参数0 x f f 改为0 x f f f f ；w r i t eb u f f 函数中将所有的u 8 数据类型修改为u 1 6 数据类型。 u b o o t 运行起来之后，使用p d n t e n v 可以查看环境变量。川s e l e n v 可以修改环 境变量，用s a v e s a v e 可以保存环境变量。 修改完后就可以进行编译f 载了。 4 15 编译并下载u 。b o o t 编译u 圳bt 报简单，编译步骤如r 2 1 】： m a k ed i s t l c c a n n u l k ee v b 4 5 1 0c o n f i g m a k e 其l | m a k ed i s f l c e m l 是删除以前编译u b c m t 时生成的h 标和临时文件，m a k e c v b 4 5 1 0c o n f i g 是对系统进行配置和宏编译选择，即选择u b o o t 支持的系统类型为 e v m 5 1 0 。执行编薛后，将生成的u b o o tb i n 文件下载到f l a s h 的地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处。完成u b o o t 咐咎植上作后存储器的内存映射前后对照如图】9 所示： g h 月 荔 映射后 弱8 目口 籀强豳墨豳 钐勿黝 戮 蒸 罔网 幽f i s hl 型s d r a m 图1 9u - b o o t 移械前后存储器映射表 系统目标板复位后，默认f l a s h 的地址为：0 x 0 0 0 0 ，0 0 0 0 ( 0 x 0 0 2 0 ，0 0 0 0 一i ) ， 大小为2 m b ，s d r a m 为0 x 0 0 2 0 ，0 0 0 0 ( 0 x 0 1 2 0 ，0 0 0 0 一”，大小为1 6 m b ，经 小v 如 二 一 一 一 【彗 c 琴 呶 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 过u - b o o t 的重映射后，s d r a m 的地址范围变为o x 0 0 0 0 ，0 0 0 0 - ( o x o l 0 0 ，0 0 0 0 1 ) ，f l a s h 的地址范围为：o x o l 0 0 ，o o o o - ( 0 x 0 1 2 0 ，0 0 0 0 1 ) 。 4 2 t c l i n u x 系统的移植 本节主要讲述交叉环境的建立，p c l i n u x 操作系统编译和移植步骤。 4 2 1 建立交叉编译环境 交叉编译环境就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。 安装交叉编译环境的步骤如下： 首先下载a r m e l f - t o o l s 2 0 0 3 0 3 1 4 s h ，然后安装交叉编译环境。安装方法是直接 在当前目录下输入以下命令： a n n e l f - t o o l s - 2 0 0 3 0 314 s h 安装交叉编译环境的主机是f c d a