（电路与系统专业论文）基于嵌入式web服务器的机房监控系统的设计.pdf

t h e d e s i g n o ft h ec o m p u t e rr o o m m o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do n e m b e d d e d。 名bs e r v e r at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h em s d e g r e ei nc i r c u i t & s y s t e m b y c h e nw e n p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fp h y s i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：h u a n gg u a n g r n i n g a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o r s i g n a t u r e a p p r o v e d m a y 2 0 1 1 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：稻_ 艮 日期：加j 年6 月，日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。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，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：钓浪 日期：z o l 牟- 6 月1 日 导师签名杉惫卜“：1 q 日期：台，、1 年6 月i 日 本人已经认真阅读“c a l l 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。园重途塞握童蜃溢卮! 旦圭生；旦= ：生；旦三生蕉查! 一 作者签名：伪、受 日期：? - 0 l t 年6 月1 日 导师签杞表卜1导师签识卜，1 日期：u 年6 月f 日 ：o 硕士学位论文 m a s 丁e r st h e s i s 中文摘要 随着我国信息产业的发展与普及，越来越多的科研机构、学校、企业都设有计 算机机房进行科学计算和数字化管理。传统的人力资源机房管理模式，不仅给人力、 财力带来很大的浪费，而且还不能准确高效的监控机房环境，因而研制一套可靠性 高的机房监控系统就显得十分重要。 本文根据国内机房监控系统的发展现状，针对夸克与轻子物理教育部重点实验 室的大型网格计算平台机房的具体应用，设计了一款机房监控系统。该系统能实时 监测机房内的各项环境参数，在出现异常状况后通过各种方式报警并进行应急处 理，起到及时保护室内设备的作用。通过对应用要求和现有的技术的分析，提出了 采用t c p i p 技术和嵌入式w e b 技术的系统设计方案。 文章介绍了监控系统的硬件设计方案，该设计采用模块化的设计方法，实现了 包括：以m c 9 s 1 2 n e 6 4 单片机为核心的控制模块、温湿度测量模块、电力监测模 块，以及基于m c 3 5 的g p r s 短信报警模块。论文重点介绍了在o p e n t c p 协议栈 基础上各功能的实现，包括：嵌入式系统的网络连接、嵌入式w e b 服务器、人机交 互功能、服务器网络参数配置、网络报警等功能。此外还介绍了基于w i n d o w s 和 l i n u x 操作系统的守护软件的设计。 最后对系统各功能模块进行了测试，测试结果表明各模块的设计达到了预期的 要求。 关键词：机房监控；传感器；m c 9 s 1 2 n e 6 4 ；o p e n t c p ；嵌入式w e b 服务器 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no ft h en a t i o n a li n f o r m a t i o ni n d u s t r y ，m o r e a n dm o r es c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s ，s c h o o l s ，e n t e r p r i s e sh a v ec o m p u t e rr o o m sf o r s c i e n t i f i cc o m p u t i n ga n dd i g i t a lm a n a g e m e n t i ft h ec o m p u t e rr o o mi s m a n a g e db y t r a d i t i o n a lh u n m a nr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l ，i tw i l ln o to n l yw a s t eh u m a nr e s o u r c e s ， b u ta l s oc a nn o tc o n t r o le n v i r o n m e n ta n de q u i p m e n ta c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l y s o d e v e l o p m e n to fah i g hr e l i a b i l i t ym o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t b a s e do nt h es t u d yo ft h en a t i o n a lm o n i t o r i n gs y s t e ma n dd e v e l o p i n gt r e n d s ，f o r g r i dc o m p u t i n gp l a t f o r mo fe d u c a t i o nk e yl a b o r a t o r y ，am o n i t o r i n gs y s t e mw a s d e s i g n e d t h i ss y s t e mc a nm o n i t o rr e a l t i m ev a r i o u se n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so f c o m p u t e rr o o m ，a n dc a na l a r mb yv a r i o u sm e a n si nt h ee v e n to fu n u s u a lc i r c u m s t a n c e s a n dc a nm a n g a g et h ee m e r g e n c ei t s e l f i tc a np r o t e c ti n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t so ft h e c o m p u t e rr o o mi nt i m e b ya n a l y z i n gt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t sa n dt h ee x i s t i n g t e c h n o l o g i e s ，t c p i pt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dw e bt e c h n o l o g ya r eu s e di nt h es y s t e m t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ev a r i o u sh a r d w a r em o d u l e so ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gc o n t r o l m o d u l ew h i c hh a sm c 9 s12 n e 6 4a sac o r e ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tm o d u l eb a s e do i l d i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rc h i p ，h u m i d i t ym e a s u r e m e n tm o d u l eb a s e do nd i g i t a lh u m i d i t y s e n s o rc h i p ，p o w e rm o n i t o r i n gm o d u l eb a s e do no p t i c a l c o u p l e r ，g p r ss m sa l a r m m o d u l eb a s e do nm c 3 5 p a p e rf o c u s e so nt h ev a r i o u sf u n c t i o n so ft h es y s t e mb a s e do n o p e n t c p ，i n c l u d i n gn e t w o r kc o n n e c t i v i t yo fe m b e d d e ds y s t e m ，i m p l e m e n t a t i o no ft h e e m b e d d e dw e bs e r v e r ，i m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mi n t e r a c t i v i t y ，s e r v e rg a i n sn e t w o r k p a r a m e t e rf u n c t i o n , n e t w o r ka l a r mf u n c t i o n i na d d i t i o n ，t h ed e s i g no fg u a r d i a ns o f t w a r e b a s e do nw i n d o w sa n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m sa r ei n t r o d u c e d f i n a l l y ，t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es y s t e ma r et e s t e d ，f r o mt h er e s u l t s ，w ek n o w t h a tt h ed e s i g no fe a c hm o d u l ea c h i e v et h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：r o o mm o n i t o r i n g ；s e n s o r ；m c 9 s 12 n e 6 4 ；o p e n t c p ；e m b e d d e dw e b s e r v e r n 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 a b s t r a c t 目录 i i i 第一章引言 1 1 研究背景1 1 2 国内发展现状2 1 3 研究的内容与意义2 1 4 论文结构3 第二章系统需求分析 4 2 1 系统功能分析4 2 1 1 监测对象4 2 1 2 系统功能需求分析”5 2 2 系统结构分析5 第三章系统硬件模块设计“ 7 3 1 主控模块方案设计和芯片选型7 3 2m c 9 s 1 2 n e 6 4 核心模块设计7 3 2 1m c 9 s12 n e 6 4 芯片特征7 3 2 2 系统原理图设计8 3 3 信号采集模块”l o 3 3 1 温度监测”1 0 3 3 2 湿度监测“1 2 3 - 3 3 市电检测模块一1 4 3 4 报警模块15 3 4 1 短信报警模块l5 3 4 2 声光报警模块18 第四章软件设计 4 1 嵌入式系统的网络连接”1 9 4 1 1t c p i p 协议栈的选择19 4 1 2o p e n t c p 在n e 6 4 上的实现2 0 4 1 3 协议栈的工作流程2 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 4 2 嵌入式w e b 服务器的实现2 6 4 2 1h 1 v r p 协议的实现2 6 4 2 2 静态w e b 页面的实现2 6 4 2 3 动态w e b 页面的实现- 2 7 4 2 4 服务器网络参数配置“2 9 4 3 网络报警功能的实现3 0 4 3 1 广播报警信息”3l 4 3 2 守护软件的设计“3 3 4 4 系统软件的实现3 4 4 4 1 系统软件构架一3 4 4 4 2 系统软件流程3 5 第五章系统测试 3 8 5 1 功能测试3 9 5 1 1 网络功能检测”3 9 5 1 2 短信报警功能测试”4 2 5 1 3 网络报警功能测试4 2 5 2 测量精度分析”4 3 第六章工作小结与展望 4 4 6 1 工作完成情况一4 4 6 2 总结展望4 4 参考文献 致谢 4 5 ”4 8 7 7 、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 研究背景 第一章引言 随着科学技术的发展，现在有越来越多的科研机构、学校、企业都使用计算机 机房来进行科学计算、数字化管理或者后台数据支持，比如网格计算平台、学校的 网络中心机房、银行后台服务器机房、电信机房，这些机房的正常运行至关重要。 如果采用专门的管理员巡查和2 4 小时值守机房，这样不仅浪费了人力和财力，而 且还不能准确高效地实时监测环境和设备，不能及时发现问题、排除故障【lj 。一部 分原因是因为机房数据中心噌杂，条件差，不适合长期值守，所以管理员通常都没 有值守在机房内，而是在别处度过大部分时间。所以需要有远程的监控系统来监控 和管理机房，实现在无人值守的情况下，监测机房环境信息，并且在出现异常状况 后，第一时问发出报警信息通知管理员，以便及时处理故障。 远程监控系统一般可以分为三个部分：监控终端、通信网络、监控中心。监控 终端的作用是完成数据采集，通过各种传感器设备来实现，并且通过通信网络将数 据传送到监控中心。监控中心一般由监控主机和服务器组成，监控主机收集数据采 集器的数据，完成系统设置、数据处理、产生报警、数据存储，必要时还要有主动 控制监控子模块的功能。服务器主要是存储监控终端返回的大量数据记录，以便查 询。根据通信媒介的不同，可以将远程监控系统分为基于有线和基于无线通信方式 的系统。 随着i n t e m e t 的发展，越来越多的监控系统使用以太网作为通信方式，这也是 计算机网络技术、计算机技术、自动化技术与控制技术和手段共同发展的结果。通 过网络，只需要一台连接网络的计算机，任何人可以在任何地点，任何时刻获取到 监控对象的数据信息，适合于异地或者远程数据采集、故障监测、安全报警，具有 较大的应用前景和研究意义【2 1 。随着网络技术和i n t e m e t 的进一步的发展与成熟， 提供了一个基于w e b 新的信息平台。w e b 技术是以h r r p 技术为基础，具有简单高 效跨平台的特点，现在已成为信息网络的一种应用最普遍的交互平台。除了通过 i n t e m e t 传递数据外，还把环境的远程监测与实时控制系统搭建在i n t e m e t 平台上， 即通过w e b 技术来实现监控系统的人机交互功能和系统管理功能。将w e b 功能嵌 入到监控设备中，该监控设备具有自己的w e b 地址，那么管理员就可以通过浏览器 直接访问并管理该设备【3 】。这样既实现了对设备的管理又实现了交互功能，操作性 强，简单方便而又不损失功能。目前网络技术和w e b 技术都是远程监控系统的研究 硕士擘位论文 m a s t e r st h e $ i s 重点。 1 2 国内发展现状 目前国内率先应用机房远程监控系统的是通信行业。由于信息技术和网络技术 的飞速发展，机房网络设备越来越多，机房监控系统也得到了飞速的发展。国内不 仅有中兴通信、北京中铁信、长沙业通达等多家大公司，也有很多小规模的公司， 它们研制的监控产品在各个领域使用。应用涉及到中心机房、计算机系统机房、电 信交换设备机房、银行数据交换机房等各个领域。各个公司也会针对不同的行业， 根据不同客户的实际情况定制适用的监控系统。 机房监控系统的发展方向： l 、机房监控的发展应该是向着统一化、网络化发展的，网络化是指机房监控 的数据最终都通过t c p i p 网络传输，这样有利于机房监控的整合：统一化是指机 房监控不再是单独的一个模块，它与网络监控、服务器监控、应用监控、业务监控 整合起来，构成一个完整的企业i t 管理系纠引。 2 、大中型机房系统结构向分布式节点设置、集中综合网管平台的方向发展。 小型机房的发展方向是部署快捷，简单易用，采用统一的数据接口，方便进行系统 的整合。大中型机房监控普遍采用的是多用户分级管理、分布式部署。集中监控中 心作为一级管理单位，集中监控和管理整个网络的多个机房，在集中监控中心下面 再设置区域的监控中心，区域监控中心作为二级管理单位，集中监控和管理本辖区 内的机房，每个机房还有自己专门的现场监控采集单元，负责本机房数据采集和二 级管理单位的集中管理。 3 、由现场联网向多种网络混合、广域网络发展。监控系统可以在企业单位的 局域网内工作，也可以通过网关扩展到广域网，这样实现监控范围更广，这也是实 现分布式集中管理的物理条件。 4 、由复杂系统配置向标准化发展。当前现状是监控设备种类多、品种杂、各 种空调、u p s 型号都不一样，各种智能设备监控系统也是是自成体系，造成很多额 外的工作量，而且维护麻烦，重复浪费，所以设备以后会向统一的标准发展。 1 3 研究的内容与意义 本论文研究的课题来源于华中师范大学的夸克与轻子物理教育部重点实验室 项目。该实验室致力于高能重离子碰撞中夸克物质信号的实验探测与物理机制的研 究，目前是欧洲大型加速器l h c a l i c e 、我国兰州c s r 、北京b e s 等大型实验国 2 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 际合作组成员单位【5 1 。重点实验室主要有4 个实验平台：粒子探测器实验平台、核 电子学与弱信号处理实验平台、大型网格计算平台、光子与电子物理实验平台。本 论文所设计的机房监控系统就是为大型网格计算平台而设计。 网格计算即分布式计算，它的任务是把一个非常巨大的计算量分配成许多小的 部分，然后把这些部分分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来 得到最后结剁引。现在，很多大学和研究所都设有网格计算平台，用于需要巨大的 计算处理能力或者是要接入大量数据的高性能计算项目。所以建立网格计算平台对 硬件设备的要求非常高，需要有高配置、高性能的服务器和密集的计算机系统。 网格计算平台机房环境现状是：各种服务器、磁盘、双核c p u 处理器采用机 柜式的安装，各机柜排列摆放。网格计算平台运转工作起来，在封闭的空间内密集 的c p u 同时工作，散发大量热量，另外机房空间小散热困难，导致温度快速上升， 所以需要使用空调降温。一般服务器和其他设备使用u p s 不间断电源供电，空调使 用市电供电。特别是遇到停电状况后，室内计算机继续工作而空调停止降温，势必 会导致室内温度不断升高，而服务器和c p u 不能长时间工作在高温环境下，所以 该需要有机房监控设备，密切关注机房内的温度、湿度和供电情况。如果采用市场 上销售的机房监控系统，首先成本过高，而且安装复杂，不方便管理，其次该机房 并不需要太多的监控项目，比如门禁、烟雾、安防等。所以完全可以根据实际需要， 自行研发设计一款成本低、效率高、适用性强、便于使用和维护的适合网格计算平 台的机房监控系统， 1 4 论文结构 论文结构安排如下： 第一章主要对国内监控系统的现状和发展趋势以及本论文的研究背景做了简 要的介绍。 第二章主要介绍了系统的需求分析，结合实际情况提出了监控系统的框架结构 和各功能模块的设计。 第三章主要对本系统的各硬件模块进行了介绍，并对监控中心、数据采集、报 警模块进行方案论证和设计。 第四章分别介绍了系统几大功能的软件实现，并说明了系统基于浏览器服务器 的软件构架，并给出了部分流程图。 第五章主要介绍了系统各个功能模块的测试和结果分析。 第六章是论文的小结，对所做的工作的总结与展望，以及在此基础上系统可以 改进的部分的探讨。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章系统需求分析 该系统是针对学院的网格计算平台的机房而设计机房监控系统。在对机房监控 系统的结构层次、以及发展趋势的进行调研的基础上，结合实际情况来设计定制适 合该机房的监控系统。 2 1 系统功能分析 2 1 1 监测对象 系统需要对机房环境几个必要的参数进行监控，对这些参数的监测就构成了系 统的信号采集部分。 1 、温度 温度是机房环境很重要的一个参数。计算机是由大量的电子元器件组成，这些 元器件还有集成芯片对温度的变化十分的敏感，在工作时也会产生大量的热量，如 果没有及时散热，温度过高就会引起电子设备故障【7 】。当机房内有较多的对温度的 变化范围要求较高的计算机或者是其他电子实验设备时，就需要格外的注意，要尽 量避免高温带来的损害，切实注意散热和使用空调设备，保证恒温通风。 2 、湿度 湿度也是机房环境参数中很重要的因素。一般生活中使用湿度的概念是使用相 对湿度，不正常的相对湿度，不仅影响计算机设备的可靠性和寿命，还会使工作人 员也感到不舒服，厌烦【3 】o 当相对湿度过大，超过6 5 时物体表面会附着一层水膜， 可能会引起电路板上元器件的漏电、触点锈蚀或者是电路短路，还会照成导线发霉 断线或接触不良。湿度过低、空气干燥的危害更加严重，容易产生静电，损坏元器 件。根据实际情况，中部城市天气潮湿的情况普遍，所以特别要注意在相对湿度大 的季节，启动空调的抽湿换气功能。 3 、动力系统 动力系统包括市电供应和u p s 不间断电源。u p s 可以保障计算机系统在停电 之后继续工作一段时间，使用户能够紧急存盘，不致因停电丢失数据而影响工作， 除此功能之外还可以消除市电上的电涌、瞬间高电压、低电压，噪声和频率偏移等 “电源污染”，改善电源质量，为计算机系统提供高质量的电源【9 j 。动力系统是否正 常也是一个需要检测的指标，最重要的是及时发现停电状况。停电后，机房空调不 能工作，散热困难，服务器、计算机继续工作会出现故障。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 2 系统功能需求分析 系统应该具备的功能有： l 、保证计算机在合适的环境下正常的工作，如果超出正常范围，要提醒管理员调 节空调，或者使用抽湿、加湿功能。 2 、如果遇到停电状况，要迅速监测到该状况，除了及时的报警之外，还要提供自 行解决的异常的应急机制。 3 、采用多种报警方式提高可靠性，如声光报警和短信报警等多种方式。 4 、系统属于小型系统，要能够安装方便、即插即用、操作简单、适应性强、人机 交互要容易、便于管理人员维护和使用。 5 、系统设计的原则是低成本、高效率。 6 、温湿度测量精度和控制范围如表2 1 所示： 表2 1 温度湿度监测要求 项目测量精度测量误差控制范围 温度 士o 5 1 5 l o 一3 5 相对湿度 士5 8 4 0 7 0 2 2 系统结构分析 因为网格计算机房是基于i n t e m e t 传输的平台，所以可以利用现成的网络平台， 实现该机房监控系统。该系统的设计是实现基于网络的嵌入式的信息采集控制系 统，同时也通过实现w e b 服务器功能，实现管理和人机交互功能。使用w e b 的方 式对于这种小规模的监控系统更为理想，小型监控网络系统简单并且不需要很强大 的管理系统，并且在这种方式下实现监控与管理于一体。基于嵌入式w e b 服务器的 方式特别适合本系统，完全满足系统管理的要求，而且简单易实现，还可以利用现 有的网络平台。本系统的核心设计就是实现信息采集、监控中心、嵌入式w e b 服务 器三个功能于一体。本系统的工作模型如图2 1 所示： 5 图2 1 系统工作模型图 该系统通过对温度、湿度、电力监测模块的控制实现信息采集，并具备各种报 警处理。该监控中心通过网络与其他网络主机连接，遇到停电状况是，就可以通过 网络报警，网络中其他主机接收到报警信息，可以采取关机保护措施。一方面是基 于w | e b 服务器的监控设备，同一网络中的其他计算机都可以通过浏览器管理该监控 设备，实现交互功能；另一方面，该监控设备又可以作为网络设备，实现即插即用 的安装、简易灵活。实现该系统的各个功能模块框图如图2 2 所示： 图2 2 系统功能模块图 m c u 和网络控制器组成系统核心部分，与m c u 相关的各个模块通过硬件模块 和软件控制实现，与网络控制器相连的虚线方框中的功能都通过软件实现。 6 连接。传统的多器件解决方案，虽然实现起来不困难，但必要时还需要扩展外部的 r a m 和r o m ，使用的外部器件多，系统开销较大，稳定性不高【l 川。集成有网络控 制器的芯片实现了单器件的以太网连接，具有外部元件少，系统开销小，稳定性高， 还可以缩短设计时间等一系列的优点。采用大规模可编程器件，编程配置灵活性高， 系统简单集成度高，非常适合高速的信号采集处理系统，但也需要器件扩展，而且 f p g a 芯片成本较高。所以从功能和性价比方面综合考虑，选择采用集成网络控制 器的单片微处理器，既能够实现数据采集处理和控制功能，又可以实现网络连接。 m c 9 s 1 2 n e 6 4 是f r e e s c a l e 公司推出的基于以太网的单片机，集成以太网m a c 层和物理层的1 6 位单片机，通过以太网以及t c p i p 协议栈实现单器件以太网连接。 该芯片性价比高，可靠性高在嵌入式系统的网络连接方面有很多的成功案例，作为 网络终端节点、网络服务器、带网络功能的设备、在工业系统、保安系统、照明管 理、医疗监测、环境远程监控方面有广泛的应用。而且有开放源码的协议栈，便于 移植使用，缩短开发时间。 3 2m c 9 s 1 2 n e 6 4 核心模块设计 3 2 1m c 9 s 1 2 n e 6 4 芯片特征 m c 9 s 1 2 n e 6 4 是f r e e s c a l e 公司生产的基于h c s l 2 内核的1 6 位单片机，主频 高达2 5 m h z 1 0 m i p s ，带片上调试接口，可以进行实时在线的仿真和调试；集成6 4 k b f l a s h 内存，8 k b 静态r a m ；外部总线有1 6 根数据线2 0 根地址线，多种工作模式； 集成1 0 1 0 0 m b p s 以太网媒介访问控制器e m a c 和物理层收发器e p h y ，内置标准 7 媒介独立接口m i i 可以实现地址识别和过滤，支持半双工、全双工的通信模式1 0 1 。 此外，芯片还集成了8 路1 0 位a d c ，多种串行接口以及一些常用的模块【l l 】，其资 源见图3 1 。 3 2 2 系统原理图设计 回田园 圃园园 回田围 困围困 回回圈 图3 1 芯片功能框图 本系统采用11 2 脚，l q f p 封装的m c 9 s 1 2 n e 6 4 ( 以- f 简称n e 6 4 ) 。芯片资源很 多，除了必须的外围电路外，只外扩必要功能的芯片。根据功能分析，必要的电路 模块有：电源电路、复位电路、晶振电路、b d m 调试接口电路、串e l 电路、网络 接口电路等。 图3 2 控制模块外部分外围电路图 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图3 2 中所示为电源、复位电路、晶振电路。芯片工作电压3 3 v ，使用线性稳 压芯片l m l l l 7 将5 v 电压变换成为3 3 v 。因为芯片内部带有电源电压检测，通过 电容充放电实现复位电路。在时钟电路方面，n e 6 4 只支持皮尔斯型的震荡器，根 据i e e e 8 0 2 3 的要求，晶振精度应高于2 5 p p m l l 2 l 。晶振引脚x t a l 和e x t l 之间接 1 0 m i ) 电阻是为了增强晶振工作的稳定性。为支持以太网m a c 和p h y 物理层的传 输，采用2 5 m 的晶振。芯片内部配有锁相环，外围需要一定的辅助电路就可以实 现其功能。 图3 3 接口电路图 图3 3 所示为n e 6 4 的各个接口电路。网络接口部分是设计的重点之一，r j 4 5 是以太网的接口，采用2 对差分信号线实现以太网数据发送( p h y - t x p ，p h y - t 列) 和数据接收( p h y - r x p ，p h y - r x n ) ，差分线与r j 4 5 座连接需要使用电磁隔离模 块，即隔离变压器，可以避免高速带来的反射损耗问题。物理端口与隔离变压器的 连接要符合i e e e 8 0 2 3 对物理层的要求：距离尽可能短，布线越宽越好，不使用直 角布线，采用弧线或4 5 0 转角线，差分线尽可能等长等要求【l 引。为了方便布线，设 计选用了带有电磁隔离器的r j 4 5 接口( h a n r u n 公司生产的h r 9 1 1 1 0 8 a 型号的以 太网物理接口) 。 图3 3 中还有b d m 调试接口和串口通信的电平转换模块。b d m 是一种单线调 试方式，通过单线可以实现下载程序，对f l a s h 读写、擦除，在线动态调试等操作， 而且接口简单。串口通信使用m a x 3 2 3 2 电平转换芯片实现，实现从t t l c m o s 电 平到r s 2 3 2 电平的转换。 9 3 3 信号采集模块 本小节内容介绍各个信号采集模块，即通过传感器实现对环境各个参数的监 测。 3 3 1 温度监测 要实现对温度监测，就要用到温度传感器。单片机实现通过温度测量可以采用 外扩模拟温度传感器或数字温度传感器两种方法。模拟温度传感器方案利用热敏电 阻的阻值随环境温度变化的特点，结合一定的外部电路，将温度变化转化为对应的 电压变化，再对电压信号进行处理，之后再利用模数转换器，将电压值采集到单片 机内部，经过数据处理还原成温度值。现在热敏电阻发展迅速，价格越来越便宜， 性能也在不断的改进，稳定性己大为提高。但是测量的精度除了受热敏电阻的线性 度、温漂影响外，还受到外部模拟电路的带来的温漂和老化问题的影响。而且在模 拟信号长距离传输过程中，处理复杂，受到的干扰较多。所以采用现在比较流行的 数字温度传感器【1 4 】。数字式传感器将温敏元件、a d 转换电路、补偿电路都集成在 芯片内部完成，直接通过总线与外部通信，就实现了温度的测量。集成度高、体积 小、硬件开销小、不受距离限制、可靠性高。数字温度传感器与模拟传感器相比， 除了温度采集过程时间较长，测量温度范围不宽，价格稍高，但是简化了系统设计， 测温范围和精度也达到系统的要求，具有明显的优势。 该设计使用美国d a l l a s 半导体公司生产的d s l 8 8 2 0 数字温度传感器，属于新 一代适配微处理器的智能温度传感器，它有如下特剧1 5 j ： 1 、小封装，三只引脚( 电源、地、数据) 、单总线传输数据。 2 、测温范围5 5 1 2 5 。c ，转换精度9 1 2 位二进制数，最小分辨率0 0 6 2 5 3 、6 4 位激光r o m ，存放中间数据，高速缓存器，用于存放中间数据，用户设 定温度的上下限值，触发器存储与逻辑控制、8 位循环冗余校验码发生器等l i 刚。 4 、通过各种命令操作：读取r o m 、跳过r o m 操作 、启动温度 转换 、读取r o m 中暂存器值 等，就可以完成温度测量的功能。 d s l8 8 2 0 与m c u 有两种连接方式：一种不需要接电源，采取寄生电源的工作 方式，g n d 脚和v e t 脚都接地，数据线与单片机的i o 口相连，利用i o 口的高电 平供电工作。还有一种外接电源的工作方式。无论哪种方式供电，数据线都需要接 4 7 k 左右阻值的上拉电阻。本系统中采用外接电路供电的方式。 与n e 6 4 的连接如图3 4 所示。d s l 8 8 2 0 的数据线与n e 6 4 的i o 口p h 5 相连， 并接4 7 k d 的上拉电阻，直接使用电路板上的3 3 v 电源和地。如果需要多点测量 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 温度，可以在数据总线上串接其他的d s l 8 8 2 0 。 图3 4d s l 8 8 2 0 与n e 6 4 的连接图 m c u 与d s l 8 8 2 0 通过同一根数据线进行控制和数据交换。两者都通过一个漏 极开路或者三态端口连接至该数据线，允许设备在不发送数据时能够释放总线【1 6 】。 m c u 通过i o 口控制温度传感器，必须遵守一定的时序，主机拉低单总线至少4 8 0 1 x s ， 才能激活温度传感器，然后m c u 释放总线，准备接收传感器拉低总线6 0 2 4 0 p s 的 应答信号，之后m c u 就可以开始对温度传感器进行启动温度转换、读取温度值等 命令操作。 读写时序如图3 5 所示： v i - w i t 双塔 姗 i 瞒 1 - 1 1 i & 恳 硼 f _ 零。0 。孵闷叫 lps- 写1 时潦 钓 _ 怠绒采样 ，；。-d一总线蕊棒t s u 一 。s一l一ps一 图3 5d s l 8 8 2 0 读写时序图 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s m c u 通过发送命令字操作传感器，在这个操作过程中要严格遵守读写时序， 如果时序不对，温度传感器就不能正常的工作。一次完整的测量过程如图3 6 所示： 图3 6 温度测量流程图 3 3 2 湿度监测 湿度表示空气中含有水蒸气的多少的一个量，水蒸气的多少会随着温度的变化 而变化，所以湿度测量要和温度值在一起才有意义。湿度的测量跟其他物理量的 检测比起来要困难，因为影响的因素多，测量的方法也多种多样。目前湿度的 数字化电子检测大多是采用湿敏传感器，可以将湿敏电阻阻值随湿度变化的量 转换成电压变化量，然后将传感信号放大调整后经a d 转换送入单片机，根据得 到的电压值查表或通过计算得到湿度值。但是由于湿敏器件在不同的温度环境 下感湿特性曲线不同，所以需要对得出的结果进行温度补偿才能得到实际的相 对湿度【1 7 】。还可以采用电容式湿敏传感器的容值随湿度变化的量转换成频率变 化量的测量方法。将湿敏电容作为震荡电路的一部分，震荡输出的频率信号经 整形后，由单片机的定时器和计算器配合计数【l8 ，得到信号频率，再将频率值 结合所测的温度值还原成现场的湿度值。还有一种方案采用数字式集成的湿度 传感器。数字式的温湿度传感器包括了一个测湿元件和测温元件，集成了a d 转换器以及串行接口电路，并且含有校准模块，不需要在软件中校准。集成度 高、体积小、距离不限、抗干扰、可靠性高。 经过比较，为了节省硬件开销和软件处理，选择直接数字输出相对湿度的 数字式湿度传感器。采用性价比高的d h t l l 数字温湿度传感器，具有相对湿度 1 2 硕士擘位论文 m a s 丁e r st h e s i s 和温度测量，全部校准的数字输出，无需额外器件，超长的信号传输距离，低 能耗。测量范围2 0 一9 0 r h ，测湿精度5 r h 。虽然精度不高，但是系统对 温度湿度的控制范围较大，所以该测量精度可以满足测量要求。 d h t l l 由电阻式感湿元件和一个n t c 测温元件，和o t p 内存组成。传感器内 部在检测信号的处理过程中需要的校准系统以程序的形式存储在内存中。该产品为 4 脚单排引脚封装( 电源、地、数据，和空引脚) ，连接方便，也是使用单线制的串 行接口。d h t l l 与n e 6 4 的连接方式如图3 7 所示：d h t l l 的数据线与n e 6 4 的i o 口p h 4 相连，并接5 1 k q 的上拉电阻，直接使用开发板上的3 3 v 电源和地。 图3 7d h t l l 与n e 6 4 连接图 m c u 与d h t l l 通过同一根数据线进行控制和数据交换，该数据线需要外接5 k 左右的上拉电阻。总线空闲状态为高电平，测量湿度时，m c u 主机首先发送起始信 号，主机把总线拉低至少1 8 m s t j 能激活传感器，然后释放总线，总线拉高等待d h t l l 的响应信号。d h t l l 监测到起始信号后拉低总线8 0 1 a s 以响应主机。主机发送开始信 号后，延时等待2 0 4 0 1 x s 后，主机切换成输入模式，拉高总线，就可以检澳i j d h t ll 的 响应信号【1 9 1 。时序如图3 8 所示： 叫主机发开卜叫姗响应卜叫 黼t 卜雠笔鼗謇 = 叉二二z ，二虻3 口：，l 厂 单总线 ：j 釜嘉蒌特l_ j 辇妻毳鬈ll r t t , 陬1 1 - 机s o 拉一蕾 图3 8 d h t l l 工作时序图 1 3 5 0 是 拉 - 3 - 相 数 图3 9 湿度测量流程图 首先通过起始信号启动d h t l1 ，然后等待d h t l1 的应答信号，接收应答信号后 就开始接收数据了。一次完整的数据传输为4 0 b i t ，先传输数据高位【2 0 1 。数据格式：8 b i t 湿度整数数据+ 8 b i t 湿度小数数据+ 8 b i t 温度整数数据+ 8 b i t 温度小数数据+ 8 b i t 校验 和。数据传送正确时校验和数据等于“8 b i t 湿度整数数据+ 8 b i t 湿度小数数据+ 8 b i 温 度整数数据+ 8 b i t 温度小数数据”所得结果的末8 位。 3 3 3 市电检测模块 该模块要监测市电状况，市电是供电的5 0 h z ，2 2 0 v 或者3 8 0 v 的交流电。对 市电状况的监测有两