（计算机系统结构专业论文）智能电源分配单元的设计与实现.pdf

j1 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n tp o w e r d i s t r i b u t i o nu n i t b yw a n g x i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg a of u x i a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e mb e r2 0 0 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 五履 签字e t 期： 劢孵z f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 r i -( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：五瓮 签字e t 期：y 啊、落 卜 铷签名：易云嘞 签- 7 - e t 期：矽扩。，- , f ， i i 东北大学硕士学位论文摘要 智能电源分配单元的设计与实现 摘要 对网络的管理分为带内管理和带外管理两种方式。带内管理是指网络的管理控制信 息与业务信息通过同一个信道传输；而在带外管理方式中，网络的管理控制信息与业务 信息在不同的信道传输。带内管理用于网络正常的情况下对于网络的管理，一旦网络瘫 痪就需要使用带外管理方式来维护网络设备，以修复网络故障。传统的带外管理都是使 用本地维护的方式，这种方式效率低而成本高。为了克服传统带外管理方式的不足，开 发了一套由智能电源分配单元以及控制台服务器构成的带外管理设备，用于替代传统的 本地维护方式，简化带外管理过程，降低维护成本。 本文介绍了带外管理设备中智能电源分配单元的设计与实现。智能电源分配单元是 带外管理设备中的重要组成部分，用于对网络设备的电源进行集中管理。具有控制网络 设备供电、用户权限认证、命令行交互、电流测量、过载报警和固件升级等功能，配合 控制台服务器，可以在带内管理失效的情况下，远程控制各种网络设备的关闭和重新启 动，以恢复由于设备死机造成的网络故障。 本文首先阐述了系统开发的应用背景和实际意义。然后，对系统的需求进行了分析， 对关键技术进行了说明。进而，分别对各个硬件模块和软件模块的实现细节进行了介绍， 详细分析了各个模块的原理和结构。最后，对系统的测试进行了说明，并总结了系统所 具备的优点及不足。 关键词：带外管理；c 8 0 5 1 f 3 4 0 ；r t x 5 1 ；固件升级 - ， ， ji- 上 、 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n tp o w e r d i s t r i b u t i o nu n i t a b s t r a c t t h em a n a g e m e n to ft h en e t w o r ki sd i v i d e di n t oi n b a n dm a n a g e m e n ta n do u t - o f - b a n d m a n a g e m e n t i ni n b a n dm a n a g e m e n t ，t h em a n a g e m e n td a t as h a r et h es a m ec h a n n e la s t h e d a t ab e i n gp r o c e s s e d ，a n di no u t o f - b a n dm a n a g e m e n t ，as e p a r a t ec h a n n e l i su s e df o r m a n a g e m e n td a t a i n b a n dm a n a g e m e n ti sa p p l i e dt om a n a g et h en e t w o r kw h e n t h en e t w o r k i sa v a i l a b l e o n c et h en e t w o r ki sd o w n ，i n b a n dm a n a g e m e n tb e c o m e su s e l e s s i ns u c hc a s e ， o u t o f - b a n dm a n a g e m e n tc a nb ea p p l i e dt om a i n t a i nt h en e t w o r ki no r d e rt or e c o v e rt h e n e t w o r kf a u l t l o c a lm a i n t e n a n c ei st h et r a d i t i o n a lo u t o f - b a n dm a n a g e m e n ta p p r o a c hw i t h l o we f f i c i e n c ya n dh i g hc o s t i no r d e rt oo v e r c o m et h el a c ko ft r a d i t i o n a lo u t o f - b a n d m a n a g e m e n t ，as e t o fo u t o f b a n dm a n a g e m e n td e v i c e si n c l u d i n gi n t e l l i g e n t p o w e r d i s t r i b u t i o nu n i ta n d c o n s o l es e r v e ra r ed e v e l o p e dt os i m p l i f yt h eo u t - o f - b a n dm a n a g e m e n t a n dr e d u c et h em a i n t e n a n c ec o s t t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n tp o w e rd i s t r i b u t i o nu n i ta r ei n t r o d u c e di n t h i st h e s i s i n t e l l i g e n tp o w e rd i s t r i b u t i o nu n i ti sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fo u t o g b a n d m a n a g e m e n td e v i c e sf o rc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n to f t h ep o w e rs u p p l yo fn e t w o r kd e v i c e s i t h a st h e f o l l o w i n gf e a t u r e s ：c o n t r o l l i n g t h e p o w e rs u p p l y o f n e t w o r kd e v i c e s ，u s e r a u t h e n t i c a t i o n ，c o m m a n dl i n ei n t e r f a c e ，e l e c t r i cc u r r e n tm e a s u r e m e n t ，o v e r l o a da l a r ma n d f i r m w a r eu p g r a d e i tw o r k st o g e t h e rw i t ht h ec o n s o l es e r v e rt om a n a g et h ep o w e rs u p p l yo f n e t w o r kd e v i c e sw h e nt h ei n b a n dm a n a g e m e n tf a i l st ow o r k ，i no r d e rt or e c o v e rt h en e t w o r k f r o mt h eo u t a g e sc a u s e db yt h ec r a s ho fn e t w o r kd e v i c e s f i r s t l y , t h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dp r a c t i c a lm e a n i n go ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h e n ，t h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e ma r ea n a l y s e d ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa r ei l l u s t r a t e d f u r t h e r m o r e ，t h es c h e m ea n ds t r u c t u r eo fe a c hh a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l e sa r ed e s c r i b e d i nd e t a i l f i n a l l y ，s y s t e mt e s t i n gi sp r e s e n t e d ，a n dt h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so ft h es y s t e m a r ec o n c l u d e d k e yw o r d s ：o u t o f - b a n dm a n a g e m e n t ；c 8 0 51f 3 4 0 ；r t x 51 ；f i r m w a r eu p d a t e i i i 卜l i ， i i毒 东北大学硕士学位论文目 录 目录 独创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章引言1 1 1 带内管理与带外管理1 1 2 带外管理设备概述2 1 3 课题的提出3 1 4 论文的结构3 第2 章系统设计5 2 1 需求分析5 2 2 硬件设计8 2 - 3 软件设计1 2 2 3 1 引导程序设计1 3 2 3 2 操作系统1 4 2 3 3 核心程序设计1 9 2 4 本章小结2 0 第3 章硬件的实现2 1 3 1 微控制器一2 1 3 2 控制台接口电路2 3 3 3 电流及温度检测电路2 3 3 4 显示及报警电路2 5 3 5 电源切换电路一2 6 3 6 本章小结2 8 第4 章软件的实现2 9 4 1 引导程序的实现一2 9 4 1 1 核心程序映像的下载与烧写2 9 4 1 2 中断向量重定位3 2 4 1 3 映像文件的生成3 4 i v 东北大学硕士学位论文 目 录 4 2 核心程序的实现3 5 4 2 1 硬件相关模块3 5 4 2 2 服务模块4 3 4 2 3 任务5 2 4 3 本章小结5 6 第5 章系统测试5 7 f 5 1 命令行交互测试一5 7 5 2 电流检测测试一5 7 ， 5 3 温度检测测试5 8 5 4 核心程序升级测试5 8 5 5 本章小结5 8 第6 章结论5 9 6 1 本文工作总结5 9 6 2 进一步工作展望5 9 参考文献6 l 致谢6 3 v 东北大学硕士学位论文第1 章引言 第1 章引言 1 1 带内管理与带外管理 网络管理可分为带内( i n b a n d ) 管理和带外( o u t o f - b a n d ) 管理两种管理模式。所 谓带内管理，是指网络的管理控制信息与业务信息通过同一个信道传送( 通常是以太 网) ；而在带外管理模式中，网络的管理控制信息与业务信息在不同的信道传送。 图1 1 带内管理方式 。 f i g 1 1i n - b a n dm a n a g e m e n t 简单的来说，使用o p e n v i e w 、c i s c o w o r k s 、t i v o l i 这类的网管软件都是带内管理方 式，这些网管系统必须通过网络本身来管理构成该网络的各种设备，如图1 1 所示，图 中的实线表示网络，此时的网络不仅是业务信息的通道，同样也是带内管理系统中管理 控制信息的通道。如果某个网络设备出现故障导致网络不可用，如图1 2 所示，就无法 再通过该网络访问各种网络设备，带内管理系统也就失效了。此时，需要采用网络以外 的其它途径来对设备进行管理，以恢复网络故障，这种管理方式也就是上面所说的带外 管理。 死机 口 图1 2 带内管理失效的情况 f i g 1 2s i t u a t i o nw h e ni n b a n dm a n a g e m e n tf a il s 在传统的带外管理方式中，需要网管人员抵达故障设备所在位置进行本地管理。大 多数故障是由于网络设备的错误配置或是网络设备死机造成的，此时网管人员可以通过 c o n s o l e 口重新恢复错误的配置或是通过切断电源来重新启动故障设备。在某些拥有大 量设备的网络( 如数据中心) 或是设备分布极为广泛的网络( 如电力部门的专用网、电 信运营商) 中，这种传统的带外管理方式效率很低，需要耗费大量的人力和时间才能定 东北大学硕士学位论文第1 章引言 位并恢复故障，而长时间的网络故障将会带来巨大的经济损失。为了克服传统带外管理 方式的诸多弊端，产生了使用带外管理设备进行带外管理的新途径。带外管理设备向网 管人员提供了一种在被管理网络不可用的情况下，通过公用电话网等其它途径来远程管 理网络设备的通道。有了带外管理设备，在带内管理失效时，就不需要到故障设备所在 位置进行本地维护，而只需要通过电话线拨号到带外管理设备上，再通过带外管理设备 就可以间接的远程访问各种网络设备，以恢复网络故障。 1 2 带外管理设备概述 硌 目前，带外管理设备包括：控制台服务器( c o n s o l es e r v e r ) 、智能电源分配单元 ( i n t e l l i g e n tp o w e r d i s t r i b u t i o nu n i t s ) 以及为了管理这些带外管理设备的带外网管软件。 控制台服务器：将被管理设备的c o n s o l e 口集中起来，通过网络或m o d e m 拨号访 问控制台服务器，就可以间接的远程访问这些被管理设备的c o n s o l e 口，即使该设备无 法直接通过网络访问。 智能电源分配单元：将被管理设备的电源集中起来，统一通过智能电源分配单元控 制电源的通断，进而控制被管理设备的停机、运行、重新启动。 带外网管软件是以上所有带外管理设备的统一管理平台。 通常来说，控制台服务器和智能电源分配单元是构成带外管理架构的基本设备。图 1 - 3 为使用这两种设备构建的带外管理方案。控制台服务器将各种网络设备的控制口集 中起来，而智能电源分配单元则用于控制网络设备的电源，并作为控制台服务器的从属 设备。 m 义 供i u 网 图1 3 带外管理方案 f i g 1 3o u t o f - b a n dm a n a g e m e n t 在网络可用的情况下，带外管理设备可以对网络设备的c o n s o l e 口以及设备电源进 行集中管理。网络设备在启动初期会首先执行b o o t l o a d e r 或b i o s ，而此时设备的网络 功能尚未启用，所有的启动信息均只能通过c o n s o l e1 3 输出，此时，通过带外管理设备 东北大学硕士学位论文 第1 章引言 就可以经过网络凭借控制台服务器来对这一阶段的启动过程进行监控，提供一种b i o s 级别的设备管理途径。 在网络设备出现故障导致网络不可用的情况下，远程管理用的计算机可以通过拨号 连接的方式登录至控制台服务器之上，再通过控制台服务器来对网络设备进行配置和重 新启动，以恢复网络的正常运行。 无论在什么情况下，通过带外管理设备访问其他网络设备的操作都由带外管理设备 严格管理，这包括对各种操作的授权管理以及对操作日志的详细记录。带外管理设备还 会识别某些网络故障，并主动通过邮件的方式向网络管理员报告故障。 1 3 课题的提出 随着计算机网络的迅速普及，网络的规模不断扩大，各种网络设备也大幅增加，大 量的网络设备为网络的管理增添了难度。目前的各种带内管理方式虽然能够在网络畅通 的情况下很好的掌控各种设备，但是却无法应对网络中断的情况，一旦网络瘫痪，对于 大量设备的管理只能依靠网管人员赶赴现场进行本地维护，这将拖延恢复故障所需的时 间，而这对于通信运营商或是会融机构来说，往往意味着经济的损失和形象的损失。在 这种背景下，使用带外管理设备构建的带外管理系统近年来发展迅速，在国外已经有多 家公司凭借供应带外管理设备而快速成长，这也反映出市场对于带外管理设备的需求是 十分旺盛的。 几年以f j ，带外管理设备还主要应用在欧美国家。近期，随着国内大型互联网公司 的崛起以及通信运营商规模与服务质量的不断提升，带外管理设备也开始在国内渐渐普 及开来。而令人遗憾的是，当前却没有国内的公司提供带外管理设备，国内市场上所有 的带外管理设备均来自于美国，这些设备也因此价格昂贵。 为了争夺尚未完全开发出来的国内市场，降低带外管理设备的价格，目前十分有必 要开展对于带外管理设备的研发工作，并与国内相关公司进行合作，尽快将国产的带外 管理设备推向市场。 本文所述的智能电源分配单元的设计与实现便是在上述背景下提出的，对带外管理 设备中的智能电源分配单元的设计与实现方法进行了论述，期望能够为国内对于带外管 理设备的研发作出一些贡献。 1 4 论文的结构 本文从硬件和软件两个方面系统的介绍智能电源分配单元的设计与实现。首先，从 整体上明确系统应完成的功能，进而在硬件和软件上对系统进行划分，并对引入的技术 和关键的技术进行必要的介绍，再对分解后的各个硬件和软件模块的实现方式进行详细 东北大学硕士学位论文第1 章引言 的解析，最后对系统设计和实现过程进行总结，对未来的应用前景进行展望。 具体来说，“系统设计”一章对系统需要实现的功能进行分析，提出明确的需求， 并据此分别在硬件上和软件上对系统进行划分，同时对设计原则、关键技术和重要原理 进行介绍。“硬件的实现”一章依据硬件设计中对硬件的划分，对每个硬件模块的具体 实现方式进行详细的介绍。“软件的实现”一章依据软件设计中对软件的划分，对每个 模块的实现方式和执行流程进行介绍，并对各个模块之间的关系进行解析。“系统测试” 一章依据需求分析中提出的各种功能，对实现的智能电源分配单元进行验证，并对验证 结果进行分析。“结论”一章总结本文所介绍的智能电源分配单元的特点，并对下一阶 段的工作进行展望。 在以后的章节之中，将使用i n t e l l i g e n tp o w e rd i s t r i b u t i o nu n i t 的英文缩写i p d u 来 代表智能电源分配单元。 东北大学硕士学位论文第2 章系统设计 第2 章系统设计 2 1 需求分析 i p d u 的功能可以简单描述为：通过r s 2 3 2 串口以命令行交互的形式控制、检测其 他设备的供电状态。i p d u 有两种使用方式，一种是本地方式，一种是集成方式。 按本地方式使用时，控制i p d u 的计算机直接通过r s 2 3 2 串口与i p d u 的控制台接 口相连，如图2 1 所示。在计算机上可以通过控制台软件，如超级终端、m i n i c o m 等， 与i p d u 进行命令行的交互，通过i p d u 提供的各种命令控制设备的通电与断电、查看 当前的供电状态、改变各种配置。本地方式提供了一种通过串口控制各种设备供电状态 的途径。 交换机路由器 图2 1i p d u 本地方式 f i g 2 1l o c a lc o n f i g u r a t i o no fi p d u 按集成方式使用时，i p d u 的控制台接口需要连接到a c s 上的某个设备i = i ，如图2 2 所示。这样，i p d u 与a c s 集成在一起，使a c s 具备控制其他设备供电的功能。 控制台服务器 交换机 路由器 图2 2i p d u 集成方式 f i g 2 2i n t e g r a t e dc o n f i g u r a t i o no fi p d u 此时，所有对于i p d u 的操作都是通过a c s 完成的。对i p d u 的各种操作都是通过 a c s 提供的操作界面，可以通过w e b 页面、a c s 的控制台接口、t e l n e t 或s s h 四种方 东北大学硕士学位论文第2 章系统设计 式对i p d u 进行操作，其中第一种方式为图形方式，后三种为命令行方式。由于a c s 提供了远程网络访问和安全访问被控串口设备的功能，使得集成方式使用i p d u 可以提 供一种通过网络远程安全控制各种设备供电状态的途径。在带外管理中，i p d u 大多数 情况下都按照集成方式使用。 无论工作在何种方式下，i p d u 都应该具备对所连接设备的供电状态进行控制和检 测的功能。具体来说，包括下面这些功能： ( 1 ) 控制所连接设备的通电和断点，当前的供电状态由i p d u 上的指示灯显示； ( 2 ) 检测当前通过i p d u 分配的总电流，可以记录曾经出现过的峰值总电流，当前 的总电流由i p d u 上的数码管显示； ( 3 ) 检测当前c p u 的温度，可以记录曾经出现过的峰值温度； ( 4 ) 可以设置i p d u 分配总电流的阈值，超过阈值时i p d u 会通过蜂鸣器的鸣叫和数 码管的闪烁进行报警，并可以自动阻止更多的端口通电，以限制总电流的进一步增加； ( 5 ) 为了避免多个插座同时上电造成的瞬态大电流影响设备的正常供电，需要保证 两个设备上电之间必须有一定的时间间隔，依次上电； ( 6 ) 通过控制台接口提供命令行的交互访问方式。所有对插座的操作、状态的查询、 配置的修改等都可以通过命令行交互的形式完成。例如：控制插座的通断、查询插座的 工作状态、查询当f j 的总电流和c p u 温度、控制蜂鸣器是否呜叫等； ( 7 ) 为了保证安全，命令行交互需要进行用户认证，并要对不同用户进行权限上的 限制。用户分为管理员和操作员。管理员可以使用所有功能，可以创建操作员并为之分 配权限，可以修改各种配置信息。操作员只可以在自己权限范围内进行操作，不可以修 改配置信息； ( 8 ) 为了方便用户使用命令行进行交互，需要命令行交互过程可以使用t a b 键进行 不完整命令的自动补齐，并可以使用上下键翻阅最近命令的历史记录； ( 9 ) 为了方便用户记忆各个插座连接了哪些设备，允许对插座进行命名，对插座的 操作可以使用插座号和插座名称两种方式进行； ( 1 0 ) 为了防止误操作使得设备意外的断电或上电，可以对插座进行锁操作，在改变 插座供电状态之前首先要进行解锁； ( 1 1 ) i p d u 的所有配置信息需要保存到f l a s h 中，以避免i p d u 掉电时配置的丢失； ( 1 2 ) 在发生电流超限报警时，需要使用控制台接口输出报警日志，以便进行处理和 记录，报警信息的优先级要高于普通的命令行交互信息，会打断当前正在输出的交互信 息； ( 1 3 ) i p d u 具备固件升级功能，可以通过串口升级新的固件，修正b u g ，增强功能。 东北大学硕士学位论文 第2 章系统设计 对于上面提到的命令行交互，具体来说需要实现表2 1 所示的命令集： 表2 11 p d u 命令集 t a b l e2 1t h ec o m m a n ds e to fi p d u 类型命令名调川格式 功能简介 a d d u s e r a d d u s e r 添加操作员 d e l u s e r 奉d e l u s e r 删除操作员 p a s s w dp a s s w d 【脂户名】 修改用户密码 用户 l i s tl i s t列出所有的操作员信息 w h o a m iw h o a m i 查看当前登录用户类型 e x i te x i t 退出当前心户登录 n a m e n a m e 插座名称】 命名插库 i n t e r v a li n t e r v a l 设置或显示插座的上电时间间隔 o n o n 插座供电 o f fo f f 插座断电 c y c l ec y c l e 控制插座连接的设备重新启动 插座 l o c k l o c k 锁定插座 u n l o c ku n l o c k 解除插座的锁定状态 a s s i g n +a s s i g n 分配插座给某个操作员 u n a s s i g n 宰 u n a s s i g n 取消操作员对某些插座的权限 s t a t u ss t a t u s 显示插庠的状态 c u r r e n t c u r r e n t 【r e s e t 】 显示当前电流，清除峰值电流记录 状态 t e m p e r a t u r et e m p e r a t u r e 【r e s e t 】 显示当前温度，清除峰值温度记录 v e rv e r显示当前i 嗣什版本号和i p d u 型号 a l a r m + a l a r m 阂值电流】设置或显示阂值电流 c u r r e n t p r o t e c t i o n 宰c u r r e n t p r o t e c t i o n 【 o n l o f f 】 设置或显示过流保护状态 b u z z e r b u z z e r 【 o n l o 毋】显示或改变蜂鸣器告警状态 配置 s y s i o g 奉s y s l o g 【 o n l o 椰】 显示或设置日j 占输出状态 s a v es a v e 保存设置到f l a s h r e s t o r er e s t o r e 恢复存储在f l a s h 中的配置 f a c t o r y _ d e f a u l t s 木f a c t o r y _ d e f a u l t s 恢复出厂设置 其它 h e l ph e l p 帮助信息 r e b o o tr e b o o t 重新启动i p d u 表2 1 中带有星号的命令为管理员特有的命令，操作员无法使用，其它的命令为管 理员和操作员共有的命令，其中某些命令在管理员和操作员模式下有不同的行为。调用 格式指出某个命令在命令行交互时的使用方法，其中一些符号的含义见表2 2 所示。 例如i n t e r v a l 命令的格式描述：i n t e r v a l 第一个字段i n t e r v a l 表示用户在调用该命令时必须首先一字不差的输入“i n t e r v a l ”； 东北大学硕士学位论文第2 章系统设计 第二个字段 表示必须有插座列表这个参数，不可省略； 第三个字段 表示要设置的上电时间间隔这个参数，不可省略。 表2 2 调用格式中的符号说明 t a b l e2 2s y m b o ln o t ei nc a l l i n gf o r m a t 智能电源分配单元作为管理其它网络设备的设备，其工作环境与普通的网络设备一 致，都是在计算机机房之中。这样，其工作环境并不是十分恶劣，在温度、湿度、电磁 兼容性方面只需参考一般通信设备的规范即可。 2 2 硬件设计 在系统的硬件选型中，总体上会遵循下面几项原则f l 】( 按优先级从高至低排列) ： ( 1 ) 主流元件； ( 2 ) 高可靠性； ( 3 ) 低成本： ( 4 ) 高集成度。 使用主流元件是最为重要的原则，某个元件之所以可以成为主流，必然会在功能、 成本或可靠性的某个方面有其不凡之处，而又不会在其它方面逊色太多2 1 。同时，在开 发过程中可以很容易的获得相关资源和帮助，可以极大的简化开发过程，缩短开发周期。 另外，主流元件的生命周期通常很长，不会担心会在某一天突然从市场上消失，影响产 品生产【3 1 。 使用高可靠性的元件是由产品应用的领域决定的，作为带外管理设备，i p d u 控制 着各种网络设备的电源，小小的误动作可能就会导致某个网络设备停止工作，进而导致 整个网络的瘫痪，后果十分严重。这就要求器件选型时一定要把高可靠性摆在重要的位 置上。 使用低成本元件是出于提高产品竞争力的角度考虑【4 1 。想要击败竞争对手，扩大市 场份额，最重要的自然是增强功能，提高品质，降低成本。对成本的控制在大量生产的 阶段，一个很重要的方面就是要降低元件的成本，而这必须在硬件设计阶段就要充分考 虑。当然，降低成本决不能以牺牲品质为代价。事实上，一般只要做到上述第一条，选 择较为主流的元件，基本上都能够获得较好的性能价格比。 东北大学硕士学位论文 第2 章系统设计 使用高集成度元件常常能够满足上述三个原则。高集成度意味着使用少量的元件来 实现丰富的功能【5 】。与大量采用分立元件的设计相比，可以有更简单的布线，更小的故 障几率，更低的成本和更短的丌发周期1 6 j 。 i p d u 硬件设计中最为重要的是嵌入式微处理器的选择。与通用微处理器不同，嵌 入式微处理器并不是仅仅完成控制和运算功能的c p u ，而是集成有c p u 和各种外设的 s o c ( 片上系统) 。集成不同外设的嵌入式微处理器会对整个系统设计产生重要的影响， 因此必须作为硬件设计中首要考虑的问题【7 j 。对于i p d u 来说，在嵌入式微处理器的处 理性能上要求并不是很高，速度较快的8 位微处理器即可满足要求。在外设方面，需要 集成f l a s h 、r a m 、a d c 、温度传感器和u a r t 。由于i p d u 需要进行命令行交互， 必然会在f l a s h 中存储大量的字符串作为提示信息。同时，命令行交互还需要使用 r a m 缓存命令行以及调用命令的历史汜录。根据评估，i p d u 的嵌入式微处理器至少需 要集成6 4 k b 的f l a s h 以及4 k b 的r a m 才能满足需要。在a d c 方面，对于精度和 速度没有特别的要求，8 位以上的精度，l k s p s 左右的采样速度就完全可以胜任，几乎所 有集成a d c 的性能都要远远高于i p d u 的要求。在温度传感器方面，只要可以精确到l山 即可。在u a r t 方面，波特率只要可以达到9 6 0 0 即可。总结来说，i p d u 在嵌入式微 处理器方面没有苛刻的要求，a d c 、温度传感器和u a r t 只要集成就一定可以满足需要， f l a s h 和r a m 在容量上有一些限制，但也很容易达到。基本上常见的增强型8 位嵌入 式微处理器，如a v r 系列和增强性8 0 5 1 系列都可以满足需要。经过多个方面的权衡， 本系统中使用c 8 0 5 1 f 3 4 0 作为i p d u 的嵌入式微处理器，这款处理器完全符合i p d u 功。 能的需要，作为工业级的器件也有较高的可靠性，成本也很低。 i p d u 的控制台接口是r s 2 3 2 串口，而嵌入式微处理器的u a r t 接口为t t l 电平， 需要使用t t l r s 2 3 2 电平转换器，或称为r s 2 3 2 收发器【引。r s 2 3 2 收发器有多种选择， 主要是通道的数量和生产厂商的差异。在本系统中使用的是m a x 3 2 3 7 e 这款r s 2 3 2 收 发器。m a x 3 2 3 7 e 为3 3 v 供电，5 路发送通道，3 路接收通道，带有1 5 k ve s d 保护。 控制台接1 ：3 的7 路信号为：t x d ( o ) ，r x d ( i ) ，r t s ( o ) ，c t s ( i ) ，d t r ( o ) ，d s r ( i ) ，d c d ( o ) ， 括号中的o 表示输出，i 表示输入。微处理器c 8 0 5 1 f 3 4 0 的u a r t 只包括上述信号中的 t x d 和r x d ，至于硬件流控制和检测i p d u 是否连接的其它几个信号都需要由 c 8 0 5 1 f 3 4 0 的通用i o 口进行控制和检测。 i p d u 需要对通过自身分配给其它设备的总电流有效值进行测量，这项工作可以使 用电流互感器、有效值转换器和微处理器的a d c 共同来完成。电流互感器是测量的前 端，用来将数值较大的待测电流通过一定的变比转换为数值较小的感应电流，通过测量 感应电流的有效值，再乘以转换比即可得到待测电流的有效值【引。而对感应电流有效值 东北大学硕士学位论文第2 章系统设计 的测量则是通过有效值转换器完成的。交流感应电流通过采样电阻转换为交流感应电 压，有效值转换器对交流感应电压进行有效值测量，并将测量结果以对应的直流电压输 出，微处理器测量此直流电压值就可以计算出交流感应电压的有效值，进而得到待测电 流的有效值【l 们。在i p d u 的设计中，使用t a l 7 0 2 电流互感器，电流输入范围0 - 2 0 a ， 变压比2 0 0 0 ：l ；使用l t c l 9 6 6 有效值转换器。电流有效值部分的测量原理如图2 3 所示。 图中的大写字母表示有效值，小写字母表示瞬时值。从图2 3 中可以看到待测电流有效 值i 待测的变化是如何通过一系列的过程反映到a d c 的转换结果的，据此可以通过a d c 的转换结果逆向计算出u 肯效、u 感应、i 感应、i 持铡，最终得到待测电流的有效值。 0 1 1 0 0 l l o 0 l l o l 0 1 0 o l l o l l 0 1 1 0 1 0 l1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 i 图2 3 电流有效值的测蕈原理 f i g 2 3r m s c u r r e n tm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e i p d u 需要显示当前分配的总电流，这可以通过数码管来实现。为了节省i o 资源， 简化布线，使用移位寄存器模拟1 2 c 总线控制数码管的显示。i p d u 中使用7 4 h c l 6 4 作 为数码管显示部分的移位寄存器。移位寄存器的每一位都控制数码管的一个段，微处理 器通过时钟信号线和数据信号线将要显示的内容串行的写入移位寄存器，从而改变数码 管显示的字形。 在i p d u 发生电流过载的情况时，需要发出报警声，这项功能可以使用蜂鸣器来完 成。蜂鸣器的使用极为简单，只要把蜂鸣器连接至微处理器的通用i o 口，中间再加一 个驱动电路即可控制蜂鸣器的静音和呜叫。 i p d u 的最为重要功能是控制其他设备的通电与断电，这需要由继电器来完成。对 继电器进行控制，实际上直接通过微处理器上的通用1 0 就可以，但是这样做有两个缺 陷： ( 1 ) 在微处理器复位的时候，通用i o 的输出也会复位，会导致继电器动作； ( 2 ) 在微处理器工作异常的时候，一条指令的错误，就会导致通用i o 输出的变化而 造成继电器的误动作。 东北大学硕士学位论文 第2 章系统设计 而使用s p i 总线外接的i o 扩展器件则可以避免上述问题。首先，1 0 扩展器件使用 自身的寄存器来映射1 0 端1 ：3 的状态，不会因为微处理器的复位而复位。其次，对扩展 i o 的操作需要通过s p i 总线，以命令的形式完成。完成一个修改继电器状念的操作，微 处理器要对s p i 接口进行操作，还要发送合适的命令，指明合适的地址。这在操作的复 杂程度上要远远高于使用微处理器的通用i o ，这就会降低发生误动作的可能性。i p d u 中使用的i o 扩展器件为m a x 7 3 0 1 ，可以通过s p i 接v i 扩展2 0 个i o 口。继电器的动作 需要较大的电流，1 0 扩展器件的驱动能力不足以驱动继电器，必须要使用外设驱动器 来提高控制信号的驱动能力。本系统中使用达林顿管阵列u l n 2 0 0 3 作为外设驱动器。 由于继电器动作时会对整个电路产生很大的干扰，为了防止其影响控制电路的正常工 作，在i o 扩展器件和外设驱动器之间需要加入光电耦合器进行电气隔离。光电耦合器 是把发光器件和光敏器件组装在一起，通过光线实现耦合，构成电光电的转换器件。 将电信号送入光耦合器输入端的发光器件时，发光器件将电信号转换成光信号，光信号 经光接收器接收，并将其还原成电信号。由于输出与输入之间没有直接的电气联系，信 号传输是通过光耦合的，所以也称为光隔离器。i p d u 中使用t l p 5 2 1 作为其光电隔离 器，把动作电路和控制电路隔离开来，提高了系统的可靠性。 i p d u 使用发光二极管指示当自仃每个插座的通断。发光二极管的指示实际上与继电 器的开关是联动的，因此，发光二极管的控制没有必要通过软件来实现，只要完全通过 硬件，将发光二极管连接在控制继电器的电路中即可。 i p d u 的硬件总体结构如图2 4 所示。 控制台接口电流q 感器 ：0 r s 2 3 2 电平转换有效值转换器 微处理器s o c ，t u a r t 接口 ；模数转换器；温度传感器： 定时器晶振 r a m 8 位处理器核心 f l a s h 通用i os p i 接v 1 il 移位寄红器蜂呜器i o 壬i 展 图2 4 硬件总体结构 f i g 2 4h a r d w a r es t r u c t u r e l l 东北大学硕士学位论文第2 章系统设计 2 3 软件设计 硬件是基础，软件是灵魂。在稳定可靠的硬件基础上，如何提供丰富的功能，如何 方便用户的使用，这些都是软件上需要解决的问题1 1 1 1 。与在p c 机上开发应用软件不同， 在i p d u 的中的软件设计在很大程度上是硬件相关的，许多代码都是对特定硬件进行操 作的。同时，i p d u 的各种硬件资源都要远远逊色于p c 机，这就要求在软件设计中