（计算机系统结构专业论文）机房物理安全监控系统的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = 一：= ，摘 机房的物理安全会直接影响到网络的 房窃理安全监控系统具有重要的现实意义 机房物理安全监控系统可对多( 本次 要 定运行，因此，设计并丌发一套机 个) 个温度点进行温度测量，测温 范围在- 5 5 一+ 1 2 5 ；可对四个房间、区域进行烟雾检测：可对一个2 2 0 v 不稳压 电源及四个u p s 电源进行掉电监测。还利用监控系统软件探测各类服务器 ( w w w f t p d n s 甩b s e m a 王l ) 、路由器、交换机以及主干光缆等的运行状态。一旦 监测到机房的上述物理安全出现故障，则以e m a i l 和手机短消息的方式立即报告给 多个预先设置了邮件地址和手机号码的管理员，还可命令a t 8 9 c 5 1 单片机通过 m t 8 8 8 0 集成电路实现拨打电话报警。如果没有发现机房的物理安全故障，也定时地 把探测到的机房工作状况报告给管理员，以保证管理员对机房的实时监控。 机房物理安全监控系统采用p c i 9 0 5 2 桥芯片实现p c i 局部端与p c i 系统总线端的 数据交换，在p c i 局部端利用a t 8 9 c 5 1 单片机控制和处理采集到的各类数据上层 w i n d o w s 端用监控系统软件显示、处理传送上来的数据并向下发送各类命令。机房 物理安全监控系统软件部分除了a t 8 9 c 5 1 单片机的汇编代码、w i n d o w s 端的监控 软件，还包含用来保证婴：l 量和w i n d o w s 正常通信的p c i 9 0 5 2 的琶麴歪呈壁。 这套机房物理安全监控系统可以很好的对机房物理安全进行实时监控和及时报 警，但在人性化方面还有很多工作要做。 、 关键词：监控系统，单片机，集成电路，芯片 必 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h e p h y s i c a ls e c u r i t y o fc o m p u t e rr o o mw i l l d i r e c t l y a f f e c tt h e n e t w o r k sn o r m a la n ds t e a d yr u n ，s oi t si m p o r t a n tt ou st od e s i g na n dd e v e l o p ac o m p u t e rr o o m sp h y s i c a ls e c u r i t ys u p e r v i s o r ys y s t e m t h es u p e r v i s o r ys y s t e mw ed e s i g n e dc a nm e a s u r es i x a r e at e m p e r a t u r et h e r a n g ef r o m 一5 5 t o + 1 2 5 ，c h e c k t h es m o gi nf o u rd i f f e r e n tr o o m so ra r e a s ， w a t c ha2 2 0 vu n s t a b l ep o w e rs u p p l ya n df o u ru p sp o w e r t h es u p e r v i s o r ys y s t e m c a na l s od e t e c tr o u t e r s ，s w i t c h e s ，m a i nf i b e r sa n dd i f f e r e n tt y p e so fs e r v e r s ， s u c ha s 帅1 v ，f t p ，d n s ，b b s ，e m a i l ，a n ds oo n i nc a s et h es u p e r v i s o r ys y s t e m f i n dt h ep h y s i c a ls e c u r i t yf a u l ti nt h ec o m p u t e rr o o m ，i tw i l li m m e d i a t e l y s e n dt h ee m a i la n dm o b i l es h o r tm e s s a g ea l e r tt ot h em a n a g e rw h oh a v es e tt h e e m a i la d d r e s sa n dt h em o b i l ep h o n en u m b e r ，a n da l s oc o m m a n dt h es c ma t 8 9 c 5 l t od i a lt h ea l e r tp h o n en u m b e rt h r o u g ht h ei n t e g r a t ec i r c u i tm t 8 8 8 0 i fn o t ， t h es y s t e mw il1a l s os e n dt h ec u r r e n tw o r ks t a t u st ot h em a n a g e ra f t e rt h e s e t t l e di n t e r v a lt h r o u g he m a i la n dm o b i l es h o r tm e s s a g e ，e n s u r et h em a n a g e r k n o wt h ew o r ks t a t u sa tr e a lti m e t h ec o m p u t e rr o o m sp h y s i c a ls e c u r i t ys u p e r v i s o r ys y s t e mu t i i i z e st h e p c i 9 0 5 2b r i d g ec h i pt oa c h i e v et h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h ep c il o c a lb u s a n dt h ep c is y s t e mb u s ，t h es c ma t 8 9 c 5 1t oc o n t r o la n dm a n a g et h ed a t aa tt h e l o c a lp a r t ，t h ew i n d o w ss u p e r v i s o r ys o f t w a r et od i s p l a ya n dm a n a g et h ed a t a c a r r i e du pa n ds e n da l lk i n d so fc o m m a n dd o w n t h es u p e r v i s o r ys y s t e ms o f t w a r e p a r ti n c l u d e st h es c ma t 8 9 c 5 1c o m p i l i n gc o d e 、w i n d o w ss u p e r v i g o r ys o f t w a r e a n dt h ep c i 9 0 5 2d r i v e rf o rc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e np c ic a r da n dw l n d o w s t h i ss u p e r v i s o r ys y s t e mc a nd ow e l lt h er e a l t i m ei n s p e c t i o na n dt h et i m e l y a l e r rf o rt h ec o m p u t e rr o o mp h y s i c a ls e c u r i t y ，b u ta l s oh a v es o m e t h i n gt ob e e n h a n c e da tt h ea s p e c to fh u m a nn a t u r e 鉴型! ! ! 坐!墨! p 1 2 i ! q 型墨z 坠! 里：兰g 丛：丛g g 翌! 曼堑蜓! ：g 丝e n 华中科技大学硕士学位论文 i i 机房的安全与机房监控系统 i 绪言 1 1 1 机房的安全性 随着网络的迅速发展，构成网络核心的许多关键设备对运行环境有着十分严格的 要求，因而必须按国家相关标准和各机房的具体需要保障机房系统的温度、u p s 电源、 烟雾等不出现异常，还要即时了解各主干光缆、各基于t c p i p 协议的服务器( 包括w w w 服务器、e m a il 服务器、f t p 服务器、t e l n e t 服务器等) 的工作情况“1 。如今网络安 全显得越来越重要，各类防火墙层出不穷“1 ，而机房物理安全的可靠与否直接关系网 络能否正常、持久、稳定的运行。为此，机房的物理安全性也得到了前所未有的重视。 1 1 2 机房监控系统 当前机房的安全性越来越受到重视，各种各样的机房监控系统应运而生4 1 。机房 监控系统可以让管理员即时准确的获得机房的物理状况，可以让管理员根据各机房的 不同要求设置正常的温度范围，正常的电源状态，正常的烟雾浓度等。当机房的温度， 电源电压，烟雾浓度超过正常范围时，能在第一时间以各种方式通知道管理员，如声 光报警， e m a il 报警，电话通知和传呼等等。机房监控系统确保了系统的可靠运行， 减轻了机房维护人员负担，提高了系统的可靠性，实现了机房的科学管理嘲。 1 2 国内外机房监控系统概况 1 2 1 国内机房监控系统概况 深圳市安之源有限公司的a z y 2 0 0 0 机房监控系统： a z y 2 0 0 0 机房监控系统主要监控一、二级配电，u p s ，防雷器状态，直流电源，自 备发电机组，空调，温度，湿度，漏水漏油，门禁，考勤，闭路监控，硬盘录像等。 a z y 2 0 0 0 监控系统的设计符合国际工业监控开放式设计标准；具有良好电磁兼容 性和电气隔离性，不影响被监控设备正常工作：软硬件设计采用模块化设计，便于扩 展和维护；采用国际著名工控设备，可靠性高，平均无故障时间大于2 0 万小时：支持 釜赴蚤名 塞的智懿遮圣l 皇女堕：擅盔空坷2 ： 华中科技大学硕士学位论文 a z y 2 0 0 0 监控系统基于实时多任务w i n 9 8 2 0 0 0 n t 操作系统，图形用户界面，组 态二次开发：软件采用a g e n t c l i e n t 模式，传输协议为t c p i p ，通过网络集散监 控：数据库接口采用最新o d b c 技术，可支持各种类型数据库；可定义1 0 0 种报警级 别和多种报警方式；内置数码视频处理软件，将图像监控融为一体，实现联动控制； 还有严格的密码管理。确保系统运行安全。 a z y 2 0 0 0 监控系统提供r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5 、s n m p 等开放协议的接口”1 。 深圳市中联通电子有限公司的z l t m o n i t o r 机房环境设备集中监控系统： 深圳市中联通电子有限公司的z l t m o n i t o r 机房环境设备集中监控系统支持各种 智能u p s ，空调及其它智能设备；系统全部硬件设备均为工控设备，可靠性高；系统 信号处理器平均无故障时间在2 0 万小时以上；模块采用全密封结构，固态封装，可 靠性高；系统软件是采用中文3 2 位开发，基于实时多任务w i n 操作系统；还有友好 的人机界面，令操作人员一日了然。参数实时动态显示，界面完全汉化，场地布局， 设备照片或图片直接显示屏幕上，场景逼真：鼠标控制，操作简单。 z l t m o n i t o r 系统基于t c p i p 及s n m p ，网络功能强大，完全实现多个机房。多个 地方环境设备的集中或分散监控：系统数据库接口采用最新o d b c 技术，使系统从根 本上脱离了数据库的限制，也就是可支持各种类形数据库；还有强大的报警处理功能， 可区分1 0 0 0 级的报警级别，报警事件发生时系统自动按事件级别排队报警、显示、 处理、并将画面切换至报警画面；系统具有专家诊断功能，可检测u p s 及空调各部件 的状态及各种参数，对任一报警事件都会针对机房的具体情况以文字或语言形式给最 终处理提示，指导值班人员及时准确地解决问题。z l t m o n i t o r 监控系统还有非常实用 的自动拨号的功能，当报警发生时，系统可自动拨设置的电话号，当对方提机时，系 统会自动播放语音报警信息，及时将故障的详细情况通知有关人员。如果管理人员不 在现场，则可打电话到系统并输入设备编号，系统可把相应情况用语音告诉查询人员。 再加上强大的数据管理功能，可存储一年的数据，并用历史曲线显示任意一天的数据 情况，最大值，最小值，平均值及某一特定时刻数值。 z l t m o n i t o r 现场总线采用工业控制r s 4 8 5 标准。1 。 天盈隆和合肥博创计算机技术有限公司联合推出的v i s t a 0 分布式机房环境监 控系统： 2 华中科技大学硕士学位论文 v i s t a 6 。0 机房监控分为管理站、现场监控站、数据采集站，其特点如下： 1 完全的组态平台 7 0 余种专业组态工具任您选择，任意组态表盘指针、棒图曲线、弹出菜单、视频 窗口，引入各种类型的背景图片，支持f l a s h 及g i f 动画。工具条、系统菜单亦可自 行设计，任意扩充。支持在线修改，无需任何编程。 2 强大的二次开发平台 支持嵌入各种控件，并可与系统各类测点相关联；系统自带的集成开发环境支持 v b s c r i p t 、j a v a s c r i p t 语言，用户可以自行对系统作各种灵活的扩充，并可作为扩展 模块”拖曳”到工具条和菜单中。 3 真正的一体化设计 以组态页面为基础，系统的视频、系统配置、事件查看、门禁设置、报警设置、 进出记录等窗口都内嵌在其中，取代了外挂程序的方式，维护了平台的统一性，实现 了真正的软件a l l i n - o n e ，使系统的完全w e b 化成为可能。 4 独具特色的视频组态系统 与其它视频软件不同的是，用户可以在组态页面中自行定义视频窗口的位置、界 面、所显示的通道数目；实现视频的远程传输、各种录像、移动报警和触发报警、远 程录像回放。作为一种整体解决方案，可与其它设备测点进行灵活多样的互相联动。 5 灵活多样的报警方式 支持多媒体语音、固定电话、移动电话、手机短信、e m a i i 、实时打印等多种报 警方式。满足不同报警等级的需要。 6 良好的可靠性、兼容性 软件设计的模块化，界面的完全组态化，所有硬件设备的严格测试，确保了系统 运行的高度可靠。支持各类智能设备，兼容s t u l z 、l i e b e r t 、r c 、h i r o s s 、m g e 、e x i d e 、 a p c 、s i c o n 、i m v 等知名品牌。 7 严格的权限管理 可以自行定义不同的用户组，每个用户组有不同的设备浏览、设备控制组合，充 分保证机房运行的安全，有效防止误操作的发生。 8 强大的联网监控功能 华中科技大学硕士学位论文 完整的c s 、b s 模式，针对不同网络带宽提供相应的解决方案。不论你在何时 何地，机房监控信息都在你的轻松掌握中。 9 完全的w e b 方式 用户在浏览器中，能看到与本地监控站完全一样的界面，实现完全一样的功能。 由于采用特殊的压缩方式，网络流量极小，即使通过拨号上网的方式，也能实现完美 监控。 v i s t a 6 0 机房监控系统也是基于r s 2 3 2 总线而设计的。1 。 1 2 2 国外机房监控系统发展现状 国内机房监控系统所用硬件是购买于国外，只是根据国内机房的具体特点，更有 针对性的采集一些信息进行监控，更适合我们的国情“。如i 阴的机房监控系统能够 监控如下内容： 电力系统：u p s 不断电系统、高稳性之水冷式发电机； 空调系统：微电脑控制之恒温恒湿空调、办公区与机房之空调区隔； 消防系统：定温侦烟系统，自动灭火系统； 门禁系统：i b m 专属的门禁监控系统。所有工作人员进出时皆需以磁卡读取人员 进出权限，磁卡资料将同步传输至i b m 安全中控室，以获取进出许可。 i b m 监控系统利用企业总控中心( e n t e r p r i s ec o m m a n dc e n t e r ，e c c ) 来为机房控 制重要的数据、资料。e c c 集合了监控中心、警报中心於一体，让机房管理人员实时 地了解机房的物理状况，达到了计算机自动管理机房的目的“。 国外机房监控系统更倾向于选择昂贵的器材，例如选择v e s d a 烟雾采样探测器， 这种探测器很灵敏，能起着提早预警作用，对于文明洁静机房是最适合的设备，在电 信机房，电脑室电力监控室等已得到肯定的应用，但是价格昂贵。再说在设计上也不 一定符合中国安防规范和行业标准，产品功能非常单一，只可应用于非重要场合的监 视项目，例如韩国的监控系统在中国就不是很合乎中国监控指标。 1 3 当前机房监控系统的主要功能 当前机房监控系统的主要监控内容包括：机房正常工作的温度，湿度，国内外u p s 电源，机房烟雾浓度，漏水漏油，辐射，视频防盗，以及对各个服务器 4 华中科技大学硕士学位论文 ( w w w f t p t e l n e t e m a i l d n s 等) 是否阻塞，各主干光缆的通断。总的可分为动力， 环境。消防，保安方面的监控。机房监控系统的功能很多很杂，我们可以按各个不同 的类型划分为空调监控系统、u p s 后备电源监控系统、配电监控系统、漏水监控系统、 温度湿度监控系统、消防监控系统、门禁监控系统、视频监控系统、多媒体语音报警 系统、电话语音报警系统等。机房需要监控的内容很多，但是不同机房的具体要求不 同。有的可能对温度湿度要求高，有的可能对漏水漏油要求高，有的可能对防盗要求 高，因此大而全的机房监控系统适合的场合并不多，况且价格也不菲。如今的机房监 控系统都是把采集到的温度湿度，烟雾等等数据以r s 2 3 2 r s 4 8 5 等传输给计算机，实 现计算机机房监控系统，队达到智能监控的目的“”。 华中科技大学硕士学位论文 2 设计机房物理安全监控系统的基本知识 2 1a t 8 9 c 5 l 单片机 a t 8 9 c 5 1 是一种带4 k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器( f p e r o m - - f i a s h p r o g r a m m a b l ea n de r a s a b l er e a do n l ym e m o r y ) 的低电压，高性能c m o s8 位微处 理器，俗称单片机“”。该器件采用a t m e l 高密度但非易失存储器制造技术制造，与工 业标准的m c s - 5 1 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位c p u 和闪烁存储器组 合在单个芯片中，a t m e l 的a t 8 9 c 5 1 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提 供了一种灵活性高且价廉的方案。 2 1 1a t 8 9 c 5 1 单片机的特性 a t 8 9 c 5 1 单片机与m c s - 5 1 兼容，具有4 k 字节可编程闪烁存储器，寿命：1 0 0 0 写 擦循环，数据保留时间为1 0 年，全静态工作方式为o h z 一2 4 h z ，具有三级程序存储器 锁定功能，1 2 8 8 位内部r a m ，3 2 可编程i o 线，两个1 6 位定时器计数器，5 个中 断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。 2 1 2a t 8 9 c 5 1 单片机的管脚说明 a t 8 9 c 5 1 单片机结构图如图2 1 。 1a 2 ， 3 ， 4i r 5 6，s ri ：a m g c 5 1 ；： 1 0i 1 l3 0 1 22 ， 1 32 l 2 t 1 5 1 b2 5 l r2 4 i 2 ， i ，2 2 2 口2 l 图2 1a t 8 9 c 5 1 管脚图 v c c ：供电电压：g n d ：接地： p o 口：p o 口为一个8 位漏级开路双向i o 口，每脚可吸收8 t t l 门电流。当p l 6 华中科技大学硕士学位论文 口的管脚第一次写1 时，被定义为高阻输入。p 0 能够用于外部程序数据存储器，它 可以被定义为数据地址的第八位。在f i a s h 编程时。p o 口作为原码输入口，当f i a s h 进行校验时，p o 输出原码，此时p 0 外部必须被拉高。 p 1 口：p 1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向i o 口，p l 口缓冲器能接收输 出4 t t l 门电流。p l 口管脚写入l 后，被内部上拉为高，可用作输入，p l 口被外部 下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在f l a s h 编程和校验时， p l 口作为第八位地址接收。 p 2 口：p 2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向i ，o 口，p 2 口缓冲器可接收，输出 4 个t t l 门电流，当p 2 口被写“l ”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并 因此作为输入时，p 2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 p 2 口当用于外部程序存储器或1 6 位地址外部数据存储器进行存取时，p 2 口输出地址 的高八位。在给出地址“1 ”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器 进行读写时，p 21 3 输出其特殊功能寄存器的内容。p 21 2 1 在f l a s h 编程和校验时接收 高八位地址信号和控制信号。 p 3 口：p 3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向i o 口，可接收输出4 个t t l 门 电流。当p 3 口写入“l ”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于 外部下拉为低电平，p 3 口将输出电流( 也l ) ，这是由于上拉的缘故。 p 3 口也可作为a t 8 9 c 5 1 的一些特殊功能口，如下所示： 管脚备选功能 p 3 0i d ( 串行输入口) p 3 id ( 串行输出口) p 3 2i n t o ( 外部中断o ) p 3 3i n t l ( 外部中断1 ) p 3 4t o ( 记时器0 外部输入) p 3 5t 1 ( 记时器l 外部输入) p 3 6w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7r d ( 外部数据存储器读选通) p 3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 ， 华中科技大学硕士学位论文 r s t ：复位输入。当振荡器复位器件，要保持r s t 脚两个机器周期的高电平时间。 a l e ，p r o g ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地 位字节。在f l a s h 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，a l e 端以不变的 频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1 6 。因此它可用作对外部输出的 脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 a l e 脉冲。如想禁止a l e 的输出可在s f r s e h 地址上置o 。此时，a l e 只有在执行 m o v x ，m o v c 指令是a l e 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在 外部执行状态a l e 禁止，置位无效。 p s e n ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器 周期两次p s e n 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的p s e n 信号将不出 现。 e a v p f ：当e a 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器( 0 0 0 0 h - f f f f h ) ， 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式l 时，e a 将内部锁定为r e s e t ；当e a 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在f l a s h 编程期间，此引脚也用于施加1 2 v 编程电源( v p p ) 。 x t a l i ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 x t a l 2 ：来自反向振荡器的输出。 2 2d s l 8 2 0 数字温度传惑器 d s l 8 2 0 是美国d a l l a s 半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使 用了在板( o n b o a r d ) 专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的 集成电路内“。 2 2 1d s l 8 2 0 特性 d s l 8 2 0 具有独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现 微处理器与d s l 8 2 0 的双向通讯。d s l 8 2 0 支持多点组网功能，多个d s l 8 2 0 可以并联在 唯一的三线上，实现多点测温。d s l 8 2 0 在使用中不需要任何外围元件，并且测温范围 在一5 5 + 1 2 5 c ，固有测温分辨率0 。5 c 。测量结果以9 位数字量方式串行传送。 0 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2d s l 8 2 0 的使用 d s l 8 2 0 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但 在实际应用中也应注意以下几方面的问题：因为较小的硬件开销需要相对复杂的软件 进行补偿，但由于d s l 8 2 0 与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对d s l 8 2 0 进行 读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用p l m 、c 等高级语言进行系统程序设计时，对d s l 8 2 0 操作部分最好采用汇编语言实现。其次 在d s l 8 2 0 的有关资料中均未提及单总线上所挂d s l 8 2 0 数量问题，容易使人误认为可 以挂任意多个d s l 8 2 0 ，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂d s l 8 2 0 超过8 个时， 就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注 意。再次连接d s l 8 2 0 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传 输长度超过5 0 m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电 缆时，正常通讯距离可达1 5 0 m ，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正 常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成 的。因此，在用d s l 8 2 0 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗 匹配问题。还有一点是在d s l 8 2 0 测温程序设计中，向d s l 8 2 0 发出温度转换命令后， 程序总要等待d s l 8 2 0 的返回信号，一旦某个d s l 8 2 0 接触不好或断线，当程序读该 d s l 8 2 0 时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行d s l 8 2 0 硬件连接和软 件设计时也要给予一定的重视。 2 3m t 8 8 8 0 集成电路介绍 m t 8 8 8 0 集成电路为双音频收发器集成电路。该集成电路具有完整的d t m f 编、 译码功能。同时，还具有集中内部寄存器、控制接口和数据总线缓冲器，便于直接与 微处理器接口，对电路可以进行工作模式设置，从而，在使用该集成电路时，具有更 大的灵活性。m t 8 8 8 0 集成电路具有五个不同功能的寄存器：发送数据寄存器( t d r ) 、 接收数据寄存器( r d r ) 、状态寄存器( s r ) 、控制寄存器a ( c r a ) 和控制寄存器 ( c r b ) ，分别根据r s i 、r w 、c p 、c s 命令将数据写入t d r 或c r a 、c r b ，以控 制d t m f 信号的发送和选择电路的工作模式；或者将接收到的d t m f 信号译码出来 9 华中科技大学硕士学位论文 的数据从s r 读到微处理器中。m t 8 8 8 0 集收发功能于一体，此处利用它的接收功能 判断电话线上的信号音。回铃音和忙音的频率均为4 2 5 h z 4 7 5 h z 的正弦波，只是断 续e e 不同且在时间上有明显的差异。判断时，使芯片工作在呼叫处理模式，当信号输 入端有信号音输入时，芯片的i r q c p 端就输出一高电平，单片机只要对该端的输 入计数，就可分辨出不同的信号音。芯片的发送功能用来将预置的电话号码转换为 d t m f 信号，利用外围电路发送到电话线上“”。 m t 8 8 8 0 的d t m f 发送、接收芯片的特点如下： ( 1 ) d t m f 8 8 8 0 是c m o s 大规模集成电路，功耗低( 5 2 m w ) ，并且将发送和接收电 路集成在一个芯片内，所以集成度高。( 2 ) 可编程控制，容易与微机接口，微机可控 制接收部分工作原理与d t m f 信号接收器m t 8 8 7 0 相同。发送部分采用开关电容式d a 变换器，因此d t m f 信号失真小，频率精度高，片内计数器对双音频模式的占空时间 进行精确定时。( 3 ) r s 0 为寄存器选择输入端：中：为时钟输入端，与r w 配合完成 读写数据；i r q c p 为中断请求信号输出端，o c 输出电路，或者在c p 模式时，输出方 波，标志已收到d t m f 信令编解码及各种公式模式选择。( 4 ) 具有多种工作模式，所 以功能很强。 2 4 总结 本章主要介绍了设计机房物理安全监控系统的些基本知识，包括用来对采集数 据进行控制和处理的a t 8 9 c 5 1 单片机；用来采集温度的温度传感器d s l 8 2 0 ；用来实 现拨打电话报警的m t 8 8 8 0 集成电路。其中，简单的介绍了a t 8 9 c 5 1 单片机的特性 和管脚；介绍了d s l 8 2 0 数字温度传感器的特性和在使用中需要注意的一些具体事项； 介绍了m t 8 8 8 0 集成电路的五个功能寄存器和d t m f 发送、接收芯片的特点。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3p c i 9 0 5 2 与w i n d o w s 的通信 3 1p c i 9 0 5 2 芯片的特点 p c i 9 0 5 2 是p l x 公司继p c i 9 0 5 0 之后推出的低成本p c i 总线接口芯片，低功耗， p q f p ( p l a s t i cq u a df l a tp a c k a g e ) 1 6 0 p i n s 封装，可以使局部总线快速转换到p c i 总线上“”】。 其特点如下：( 1 ) 符合p c i 2 1 规范，支持低成本从属适配器；( 2 ) 包括一个6 4 b y t e 的写f i f o 和一个3 2 b y t e 的读f i f o ，通过读写f i f o ，可实现高性能的突发式数据传 输：( 3 ) i s a 模式支持p c i 总线到i s a 总线的单周期存储器( 8 位或1 6 位) 读写和i o 访问；( 4 ) 支持两个来自局部总线的中断，可生成一个p c i 中断，利用软件写内部寄 存器位也可以达到同样的目的：( 5 ) p c i 9 0 5 2 的局部总线与p c i 总线的时钟相互独立运 行，局部总线的时钟频率范围为o 4 0 m h z ，t t l 电平，p c i 的时钟频率范围为o 3 3 m h z 。 两种总线的异步运行方便了高低速设备的兼容；( 6 ) 可编程的局部总线配置，支持复 用或非复用模式的8 、1 6 或3 2 位的局部总线；( 7 ) 串行e e p r o w 提供p c i 总线和局部 总线的部分重要配置信息：( 8 ) 4 个局部设备片选信号，各设备的基址和地址范围及其 映射可由串行e e p r o m 或主机编程实现；( 9 ) 5 个局部地址空间，基址和地址范围及其 映射可由串行e e p r o m 或主机编程实现；( 1 0 ) 支持b i g l i t t l ee n d i a n 编码字节的转 换；( 1 1 ) 局部总线等待状态，除了用于握手的等待信号l r d y i # 外，p c i 9 0 5 2 还有一个 内部等待产生器( 包括地址到数据周期、数据到数据周期和数据到地址周期的等待) ； ( 1 2 ) 可编程实现读写信号选通的延迟和写周期的保持；( 1 3 ) 可对局部总线的预取计数 器编程为0 ( 非预取) 、4 、8 、1 6 或连续( 预取计数器关闭) 预取模式；( 1 4 ) p c i 9 0 5 2 支 持p c ir 2 1 规范的延迟读模式：( 1 5 ) p c i 9 0 5 2 有一个可编程p c i 读写重试延迟计时器， 可以为p c i 总线产生一个重试信号：( 1 6 ) p c i 锁定机制，p c i 主控设备可以通过锁定 信号独占对p c i 9 0 5 2 的访问“”。 p c i 9 0 5 2 的复位及串行e e p r o m 的初始化如下： 复位及初始化。上电时，p c i 9 0 5 2 的内部寄存器由p c i 总线的r s t # 信号复位，在 局部总线上输出l r e s e t # 信号，除了b l c k o 、e e c s 、e e d i 、e e s k 、l h o l d a 和局部数据 总线( l a d 3 1 ：0 ) ，所有输出的局部总线呈高阻态，线检验串行e e p r o m 。如果安装 华中科技大学硕士学位论文 了e e p r o m 且前4 8 位不全为l ，则p c i 9 0 5 2 用e e p r o m 中的值来配置片内寄存器，否则 使用缺省值。p c i 总线上的主控设备也可以应用软件通过置c n t r l 3 0 = i ，使p c i 9 0 5 2 的寄存器复位，但是主设备只能访问配置寄存器，而不能访问局部总线。当 c n t r l 3 0 = o 时，清除p c l 9 0 5 2 的复位状态“”。 串行e e p r o m 。复位后，s t a r t 为0 表示e e p r ( i w 存在，p c i 9 0 5 2 用它进行配置，如 s t a r t 为l ( e e p r o m 不存在) 或e e p r o m 为空，p c i 9 0 5 2 采用缺省值配置。 p c i 9 0 5 2 总线上的主机可以对串行e e p r o m 进行读写，寄存器位c n t r l 2 9 ：2 4 控制着 p c i 9 0 5 2 的管脚，对e e p r o m 的位进行读写。将重载配置寄存器位c n t r l 2 9 置1 可以 用串行e e p r o m 重新配置p c i 9 0 5 2 。串行e e p r o m 是按重要性顺序先后配置信息的，推 荐使用有三线串行接口，5 v 电源，支持i m h z 时钟的e e p r o m ，1 m h z 时钟可以由p c i 时钟除以3 2 实现陋蚓。p c i 9 0 5 2 接1 2 芯片作为通用的p c i 接口，有着极其广泛的应用 范围。 3 2w d m 驱动的设计 为了保证p c i 9 0 5 2 系统总线与w i n d o w s 进行通信，我们要做好w d m ( w i n 3 2 d r i v e rm o d e l ) 驱动程序。w d m 是m i c r o s o f t 力推的全新驱动程序模式，除了通用的 平台服务和扩展外，还实现了一个模块化的、分层次类型的微型驱动程序结构阻卅。 类型驱动程序实现了支持通用总线、协议或设备类所需的功能性接口。类型驱动程序 的一般特性是为逻辑设备的命令设置、协议和代码重用所需的总线接口实现标准化提 供必要的条件。w d m 对标准类接口的支持减少了w i n d o w s 9 5 和w m d o w s n t 所需的 设备驱动程序的数量和复杂性。模块化的w d m 体系结构中灵活统一的接1 2 ，使操作 系统可以动态地配置不同的驱动程序模块来支持特定的设备。一个典型的驱动程序堆 栈由通用设备、协议及特定协议和特定总线的微型驱动程序联接的总线类驱动程序构 成。w d m 提供了多个执行优先级，包括核心态和非核心态线程、m q 级别和d p c ( d e l a y e dp r o c e d u r ec a l l s ) 。所有的w d m 类和微型驱动程序都作为核心态( 第0 层) 的特权级线程执行。3 2 个m q 级可以被用于区分硬件中断服务的优先级。对于每个 中断，d p c 被排入队列等到被启用中断的i r q 服务例程完成后再执行。d p c 通过有 效的减少中断被禁止的时间，使系统对中断的响应获得了很大的提高。w d m 驱动程 华中科技大学硕士学位论文 序是分层的，即不同层上的驱动程序有着不同的优先级，还引入了功能设备对象f d o ( f u n c t i o n a ld e v i c eo b j e c t ) 与物理设备对象p d o ( p h y s i c a ld e v i c eo b j e c t ) 两个新类 来描述硬件，一个p d o 对应一个真实硬件。一个硬件只允许有一个p d o ，却可以拥 有多个f d o ，在驱动程序中直接操作的不是硬件而是相应的p d o 与f d o 。 由于w i n d o w s2 0 0 0 下支持设备的p i l p ，w d m 一般在加载的时候会发p n p 消息 给d r i v e r ，所以一般不需要在d r i v e re n t r y 里调用c r e a t ed e v i c e ，而是在a d d d e v i c e 里创建，或者在p i l p 消息里创建。一般在d r i v e re n t r y 里创建的是一个与设备或者对 象毫无关系的虚拟设备，用于管理与w m 3 2 的通讯。如果不想对该设备做什么特别的 处理，或者设备不复杂，a d dd e v i c e 可以简单返回n l s u c c e s s ，而不用调用c r e a t e d e v i c e 。 我们要编写w d m 驱动程序之前先要构造好设备驱动的环境，需要准备如下软 件：w i n 3 2s d k 或者p l a t f o r ms d k 、n td d k 、v c + + 6 0 等。按照安装说明进行 安装，一般是先装软件包，再装v c + + 6 0 ，最后装d d k 。装好之后按照环境构造说 明进行正确构造即可开始设计w d m 驱动程序了。 3 3p c i 9 0 5 2 与w i n d o w s 的通信 在对p c i 卡的驱动程序中我们不是直接操作硬件而是操作相应的p d o 和f d o 。 在r i n g - 3 与r j n g - o 通讯方面，w i n d o w s 操作系统为每一个用户请求打包成一个i r p ( i o r e q u e s t p a c k e t ) 结构，将其发送至驱动程序并通过识别i r p 中的p d o 来识别是 发送给哪一个设备。在加载p c i 卡的驱动的时候，w d m 既不靠驱动程序名称也不靠 一个具有某种特殊意义的i d ，而是依靠一个1 2 8 位的o u i d 来识别驱动程序。w d m 驱动程序是p e ( p o r t a b l ee x e c u t a b l e ) 格式的，有一个如同w m m a l n 或m a i n 功能的 d r i v e r e n t r y ： n t s t a t u s d r i v e r e n t r y ( i np d r i v e r _ o b j e c td r i v e r o b j e c t , 不同于前面的p d 0 i n p u n i c o d e _ s t r i n gr e g i s t r y p a t h ) f d r i v e r o b j e c t - d r i v e r e x t e n s i o n - a d d d e v i c e 。a d d d e v i c e ； d r i v e r e x t e n s i o n 中存放着驱动程序扩展信息，包括设备所需要的硬件资源等。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 d r i v e r o b j e c t - m a j o r f t m c t i o n i r pm jc r e a t e 】 = r e q u e s t c r e a t e ； d r i v e r o b j e c t 一 m a j o r f u n c t i o n i r pm jc l o s e 】 = r e q u e s t c l o s e ； d r i v e r o b j e c t m a j o r f u n c t i o n i r pm jd e v i c e _ c o n t r o l 】 = r e q u e s t c o n t r o l ； d f i v e r o b j e c t - m a j o r f u n c t i o n i r pm jp n p 】 = r e q u e s t p n p ； r e t u r ns t a t u s _ s u c c e s s ； ) 可以看出，d r i v e r e n t r y 要向操作系统登记并注册一些消息处理器，要指明是否对 驱动程序输入输出的数据进行缓冲。还要提供a d d d e v i c e 例程用来把驱动程序添加到 驱动程