一种基于单片机的状态监测系统的制作方法
【专利摘要】一种基于单片机的状态监测系统，包括：一个接口板单板和多个业务板单板，每个单板包括单片机处理器、电流采集电路、电压和温度采集电路、I2C接口，GPIO接口，模拟I2C接口，接口板单板还包括RS485接口，系统采用分布式主从通信结构，接口板单片机做主机，各业务板单片机做从机，通过配置ID号区分各单板。接口板单片机负责收集各单板状态信息，统一与上位机和外部主控单元进行通信，完成实时监测整机中各单板电源电压、电流、核心芯片温度以及外部芯片工作时钟等状态参数。本发明具有检测全面、对外接口简单、配置项统一、通用性强、实时性好等优点。
【专利说明】—种基于单片机的状态监测系统【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于单片机的状态监测系统，具体涉及一种适用于多单板协同运行的状态监测系统。
【背景技术】
[0002]状态监测的任务是在设备运行中或在基本不拆卸的情况下了解和掌握设备的运行状态，采用各种检测、监视、分析和判别方法，对设备当前的运行状态做出评估，判断其处于正常状态、异常状态还是故障状态，为后续的故障定位和故障诊断奠定基础。
[0003]而对于系统中存在多个单板协同工作的情况，需要对每个单板的状态进行监测，并将监测结果集中管理，这就需要采用分布式监控技术。对监测系统电压、电流、温度等状态的相关文献查阅发现，这些监控系统主要存在以下几种问题:
[0004](I)专利智能型电功能监测仪和黑龙江省电力科学研究院研究的电力系统动态过程在线监测装置及方法主要是针对各种电器或电力系统的有功功率、无功功率、输出电压、电流、频率等进行监测，并不涉及系统内部状态的监测，且没有用到分布式监控技术；
[0005](2)浙江大学研制的多功能环境参数精密监测系统，其监测电路独立于设备或系统之外，主要监测仪器外部的工作环境，如温度、湿度，而不是仪器本身的状态参数；
[0006](3)西安工业大学设计的机载电源检测系统和复旦大学设计的基于串行通信的分布式监控系统都使用了分布式监控技术，但其采用的是一个PC机与多个单片机进行通信的方法，该方法适用于监控多个系统状态而不是监控一个系统中多个单板的状态。
[0007]综上，这些设计研究都没有提出一种在多单板上实现分布式监控，完成整机系统各单板状态实时监测的方法。`
【发明内容】
[0008]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种基于单片机的状态监测系统，可对整机中各单板关键电源电压、电流、核心处理芯片的管芯温度以及外部芯片的工作时钟进行实时监测，各单板之间采用分布式监控技术，由接口板收集各业务板状态，并与上位机和外部主控单元进行通信，具有对外接口简单、配置项统一、通用性强、实时性好等特点，解决了整机在联调和环境试验阶段在不拆卸的情况下了解和掌握单板内部运行状态，方便调测人员在整机运行异常时进行故障诊断和解决问题。
[0009]本发明的技术解决方案是:基于单片机的状态监测系统，包括:一个接口板单板和多个业务板单板，每个单板包括单片机处理器、电流采集电路、电压和温度采集电路、I2C接口，GPIO接口，模拟I2C接口，接口板单板还包括RS485接口，其中:
[0010]单片机处理器:处于接口板单板时，单片机处理器ID号设置为0x01，单片机处理器作为主机，运行于接口板工作模式，采集自身工作状态，查询并收集各业务板工作状态信息，接收上位机发送的单板状态查询指令，根据查询指令中的ID号反馈相应单板状态，并将整机系统状态信息定时上报至外部主控单元；处于业务板单板时，不同的业务板单板设置不同的ID号:业务板I的ID号设置为0x02，业务板2的ID号设置为0x03，业务板3的ID号设置为0x04，单片机处理器作为从机，运行于业务板工作模式，响应接口板单片机处理器的状态查询指令，采集自身状态信息并反馈至接口板单片机处理器；
[0011]电流采集电路:对5V和28V电源电流进行放大，并转换为相应的模拟电压信号；
[0012]电压和温度采集电路:采集并转换单板关键电源电压、外部芯片管芯温度、电压和温度监测芯片的管芯温度，采集的状态可根据各单板具体配置不同而不同；
[0013]I2C接口:完成接口板单片机处理器向业务板单片机处理器发送状态查询指令，并从业务板单片机处理器接收状态信息；完成接口板单片机处理器向外部主控单元发送整机状态信息；接口板单片机处理器、业务板单片机处理器与外部主控单元接在同一 I2C接口上，通过合理设计避免总线资源抢占；
[0014]GPIO接口:完成将电流采集电路转换后的模拟电压信号发送至单片机处理器；完成外部芯片向单片机处理器发送工作时钟，由单片机处理器的可编程计数阵列PCA捕获时钟，计算出时钟频率值。
[0015]模拟I2C接口:完成将电压和温度采集电路转换后的电压、温度值发送至单片机处理器；
[0016]RS485接口:完成上位机向接口板单片机处理器发送单板状态查询指令，并从接口板单片机处理器接收单板状态信息。
[0017]所述的接口板工作模式下单片机处理器的具体工作过程为:
[0018]单片机处理器首先进行自检初始化操作，然后进入循环操作；循环操作时，单片机处理器首先检测状态更新时间，时间到则收集单板状态，包括:5V/28V电源电流、关键电源电压、外部芯片管芯温度、电压和温度监测芯片的管芯温度、外部芯片工作时钟。然后通过ID号判断单片机处理器当前处于接口板工作模式，开始执行接口板单片机处理器功能:先检测上报状态定时时间，时间到则上报整机系统状态信息至外部主控单元；其次检测是否通过RS485总线接收到上位机发送的单板状态查询指令，若有则根据指令中的ID号反馈相应单板状态信息；再次，轮流向各业务板单片机处理器发送状态查询指令；最后判断是否通过I2C总线接收到业务板单片机处理器反馈的状态信息，接收完成后置业务板状态接收完毕标志；完成功能后单片机处理器重新进入循环操作。
[0019]所述的业务板工作模式下单片机处理器的具体工作过程为:
[0020]单片机处理器首先进行自检初始化操作，然后进入循环操作；循环操作时，单片机处理器首先检测状态更新时间，时间到则收集单板状态，包括:5V/28V电源电流、关键电源电压、外部芯片管芯温度、电压和温度监测芯片的管芯温度、外部芯片工作时钟；然后通过ID号判断单片机处理器当前处于业务板工作模式，开始执行业务板单片机处理器功能:判断是否通过I2C总线接收到接口板单片机处理器发送的状态查询指令，若有则反馈自身状态信息；完成功能后单片机处理器重新进入循环操作。
[0021]所述的避免I2C总线资源抢占的方法实现工作流程如下:
[0022](a)系统上电后第一次进入循环，接口板单片机处理器先向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中只包含接口板单板状态信息；
[0023](b)接口板单片机处理器向业务板I单片机处理器发送状态查询指令；
[0024](C)接口板单片机处理器收到业务板I单片机处理器返回的状态信息，第一次循环结束；
[0025](d)第二次进入循环，向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中包含接口板单板状态信息和业务板I单板状态信息；
[0026](e)接口板单片机处理器向业务板2单片机处理器发送状态查询指令；
[0027](f)接口板单片机处理器收到业务板2单片机处理器返回的状态信息，第二次循环结束；
[0028](g)第三次进入循环，向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中包含接口板单板状态信息和业务板2单板状态信息；
[0029](h)接口板单片机处理器向业务板3单片机处理器发送状态查询指令；
[0030](i)接口板单片机处理器收到业务板3单片机处理器返回的状态信息，第三次循环结束；
[0031](j)第四次进入循环，向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中包含接口板单板状态信息和业务板3单板状态信息；
[0032](k)接口板单片机处理器重新向业务板I单片机处理器发送状态查询指令，循环运行步骤(C)?(k)。
[0033]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0034](I)本发明针对多单板协同运行的系统，采用分布式监控技术，实时监测系统内部各单板的状态信息，包括各关键电源电压、电流、核心处理芯片温度、外部芯片工作时钟，检测全面、实时性好，为整机系统的正常运行提供了可靠的数据依据。
[0035](2)本发明通过配置ID号来区分各单板，各业务板单片机处理器采集的状态信息汇总至接口板单片机处理器，由接口板单片机处理器统一与上位机和外部主控单元进行通信，对外接口简单、易于操作。
[0036](3)本发明通信机制设置合理，实现了 I2C单主多从的通信机制，另外在各单板单片机处理器与外部主控单元芯片都挂接在同一 I2C总线的前提下，I2C总线通信时序设置合理，避免了总线堵塞。
[0037](4)本发明能兼容各单板工作模式，配置项统一。包括两种工作模式:接口板工作模式和业务板工作模式，可以有效减少软件版本维护带来的不便；
[0038](5)本发明具有通用性，具备根据系统中单板数量的不同进行扩展和裁剪的能力，应用范围广阔。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1是本发明基于单片机的状态监测系统的结构示意图；
[0040]图2是本发明基于单片机的状态监测系统的原理框图；
[0041]图3是本发明基于单片机的状态监测系统的控制流程图；
[0042]图4是本发明基于单片机的状态监测系统为避免I2C总线资源抢占的方法实现工作流程图。
【具体实施方式】
[0043]如图1所示，为本发明基于单片机的状态监测系统的结构示意图。多单板协同工作的整机系统由四块单板组成，分别为:接口板、业务板1、业务板2、业务板3，在具体实施中各业务板对应基带板、中射频板和电源板，四块单板通过接口插槽接插在母板上。配置接口板单片机处理器ID号为0x01，业务板I单片机处理器为0x02，业务板2单片机处理器为0x03，业务板3单片机处理器为0x04。
[0044]如图2所示，为本发明基于单片机的状态监测系统的原理框图。包括一个接口板单板和多个业务板单板，每个单板包括单片机处理器、电流采集电路、电压和温度采集电路、I2C接口，GPIO接口，模拟I2C接口，接口板单板还包括RS485接口。本发明在具体实施中，单片机处理器选用SiliconLaboratories公司的C8051F550,电流采集电路中的电流放大器选用MAXM公司MAX9938，电压和温度监测芯片选用Analog Devices公司的ADM1063。各业务板单片机处理器与接口板单片机处理器通过I2C接口连接，用于两者之间通信，同时接口板单片机处理器通过同一 I2C接口连接外部主控单元，用于定时上报整机系统状态信息，外部主控单元可以是ARM或FPGA。接口板单片机处理器与上位机之间采用RS485接口通信，上位机可查询任一单板工作状态。
[0045]单板状态采集原理如下:
[0046](I)电流:5V和28V电源电流经过MAX9938电流放大器放大后，通过GPIO输出相应模拟电压值至C8051F550，该单片机处理器具有双通道12位ADC，可同时采集两路电流值。有模拟量输入时，触发ADC转换中断，通过采集转换一定次数的模拟值并对其求平均，求得相应的数字电压值。上位机或外部主控单元接收到数字电压值后可根据公式解算出电流值。
[0047](2)电压和温度:电压和温度监测芯片ADM1063转换精度为12位，具有十个电压采集通道，用于采集单板关键电源电压，具有一个内部温度通道，用于采集自身管芯温度，具有一个外部温度通道，用于采集外部芯片管芯温度，外部芯片可以是FPGA。通过模拟I2C总线将采集到的电压温度值传输至C8051F550。采集的电压温度值可根据各单板具体配置不同而不同。
[0048](3)外部芯片工作时钟:外部芯片为FPGA，由FPGA向C8051F550输出固定工作时钟，触发C8051F550的可编程计数阵列PCA中断，通过捕获一定时长的FPGA工作时钟上升沿的个数，计算出时钟频率，从而判断FPGA工作是否正常。
[0049]如图3所示，为本发明基于单片机的状态监测系统的控制流程图。系统加电或复位后，单片机处理器首先进行自检初始化操作，自检初始化正常后方能进入循环操作；循环操作时，单片机处理器首先检测状态更新时间，时间到则收集单板状态，包括:5V/28V电源电流、各关键电源电压、外部芯片管芯温度、电压和温度监测芯片的管芯温度、外部芯片工作时钟。然后通过ID号判断单片机处理器的工作模式，若ID号等于0x01，单片机处理器当前处于接口板工作模式，开始执行接口板单片机功能:先检测上报状态定时时间，时间到则上报整机系统状态信息至外部主控单元；其次检测是否通过RS485总线接收到上位机发送的单板状态查询指令，若有则根据指令中的ID号反馈相应单板状态信息；再次，轮流向各业务板单片机处理器发送状态查询指令；最后判断是否通过I2C总线接收到业务板反馈的状态信息，接收完成后置业务板状态接收完毕标志。完成功能后单片机处理器重新进入循环操作；若判断ID号等于除0x01以外的其它值，单片机处理器当前处于业务板工作模式，开始执行业务板单片机功能:判断是否通过I2C总线接收到接口板单片机处理器发送的状态查询指令，若有则反馈自身状态信息。完成功能后单片机处理器重新进入循环操作。
[0050]如图4所示，为本发明基于单片机的状态监测系统为避免I2C总线资源抢占的方法实现工作流程如下:
[0051](a)系统上电后第一次进入循环，接口板单片机处理器先向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中只包含接口板单板状态信息；
[0052](b)接口板单片机处理器向业务板I单片机处理器发送状态查询指令；
[0053](C)接口板单片机处理器收到业务板I单片机处理器返回的状态信息，第一次循环结束；
[0054](d)第二次进入循环，向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中包含接口板单板状态信息和业务板I单板状态信息；
[0055](e)接口板单片机处理器向业务板2单片机处理器发送状态查询指令；
[0056](f)接口板单片机处理器收到业务板2单片机处理器返回的状态信息，第二次循环结束；
[0057](g)第三次进入循环，向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中包含接口板单板状态信息和业务板2单板状态信息；
[0058](h)接口板单片机处理器向业务板3单片机处理器发送状态查询指令；
[0059](i)接口板单片机处理器收到业务板3单片机处理器返回的状态信息，第三次循环结束；
[0060](j)第四次进入循环，向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中包含接口板单板状态信息和业务板3单板状态信息；
[0061](k)接口板单片机处理器重新向业务板I单片机处理器发送状态查询指令，循环运行步骤(C)?(k)。
【权利要求】
1.基于单片机的状态监测系统，其特征包括:一个接口板单板和多个业务板单板，每个单板包括单片机处理器、电流采集电路、电压和温度采集电路、I2C接口，GPIO接口，模拟I2C接口，接口板单板还包括RS485接口，其中: 单片机处理器:处于接口板单板时，单片机处理器ID号设置为0x01，单片机处理器作为主机，运行于接口板工作模式，采集自身工作状态，查询并收集各业务板工作状态信息，接收上位机发送的单板状态查询指令，根据查询指令中的ID号反馈相应单板状态，并将整机系统状态信息定时上报至外部主控单元；处于业务板单板时，不同的业务板单板设置不同的ID号:业务板I的ID号设置为0x02，业务板2的ID号设置为0x03，业务板3的ID号设置为0x04，单片机处理器作为从机，运行于业务板工作模式，响应接口板单片机处理器的状态查询指令，采集自身状态信息并反馈至接口板单片机处理器； 电流采集电路:对5V和28V电源电流进行放大，并转换为相应的模拟电压信号； 电压和温度采集电路:采集并转换单板关键电源电压、外部芯片管芯温度、电压和温度监测芯片的管芯温度，采集的状态可根据各单板具体配置不同而不同； I2C接口:完成接口板单片机处理器向业务板单片机处理器发送状态查询指令，并从业务板单片机处理器接收状态信息；完成接口板单片机处理器向外部主控单元发送整机状态信息；接口板单片机处理器、业务板单片机处理器与外部主控单元接在同一 I2C接口上，通过合理设计避免总线资源抢占； GPIO接口:完成将电流采集电路转换后的模拟电压信号发送至单片机处理器；完成外部芯片向单片机处理器发送工作时钟，由单片机处理器的可编程计数阵列PCA捕获时钟，计算出时钟频率值； 模拟I2C接口:完成将电压和温度采集电路转换后的电压、温度值发送至单片机处理器； RS485接口:完成上位机向接口板单片机处理器发送单板状态查询指令，并从接口板单片机处理器接收单板状态信息。
2.根据权利要求1所述的基于单片机的状态监测系统，其特征在于:所述的接口板工作模式下单片机处理器的具体工作过程为: 单片机处理器首先进行自检初始化操作，然后进入循环操作；循环操作时，单片机处理器首先检测状态更新时间，时间到则收集单板状态，包括:5V/28V电源电流、关键电源电压、外部芯片管芯温度、电压和温度监测芯片的管芯温度、外部芯片工作时钟。然后通过ID号判断单片机处理器当前处于接口板工作模式，开始执行接口板单片机处理器功能:先检测上报状态定时时间，时间到则上报整机系统状态信息至外部主控单元；其次检测是否通过RS485总线接收到上位机发送的单板状态查询指令，若有则根据指令中的ID号反馈相应单板状态信息；再次，轮流向各业务板单片机处理器发送状态查询指令；最后判断是否通过I2C总线接收到业务板单片机处理器反馈的状态信息，接收完成后置业务板状态接收完毕标志；完成功能后单片机处理器重新进入循环操作。
3.根据权利要求1所述的基于单片机的状态监测系统，其特征在于:所述的业务板工作模式下单片机处理器的具体工作过程为: 单片机处理器首先进行自检初始化操作，然后进入循环操作；循环操作时，单片机处理器首先检测状态更新时间，时间到则收集单板状态，包括:5V/28V电源电流、关键电源电压、外部芯片管芯温度、电压和温度监测芯片的管芯温度、外部芯片工作时钟；然后通过ID号判断单片机处理器当前处于业务板工作模式，开始执行业务板单片机处理器功能:判断是否通过I2C总线接收到接口板单片机处理器发送的状态查询指令，若有则反馈自身状态信息；完成功能后单片机处理器重新进入循环操作。
4.根据权利要求1所述的基于单片机的状态监测系统，其特征在于:所述的避免I2C总线资源抢占的方法实现工作流程如下: (a)系统上电后第一次进入循环，接口板单片机处理器先向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中只包含接口板单板状态信息； (b)接口板单片机处理器向业务板I单片机处理器发送状态查询指令； (c)接口板单片机处理器收到业务板I单片机处理器返回的状态信息，第一次循环结束； Cd)第二次进入循环，向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中包含接口板单板状态信息和业务板I单板状态信息； (e)接口板单片机处理器向业务板2单片机处理器发送状态查询指令； (f)接口板单片机处理器收到业务板2单片机处理器返回的状态信息，第二次循环结束； (g)第三次进入循环，向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中包含接口板单板状态信息和业务板2单板状态信息； (h)接口板单片机处理器向业务板3单片机处理器发送状态查询指令； (i)接口板单片机处理器收到业务板3单片机处理器返回的状态信息，第三次循环结束； (j )第四次进入循环，向外部主控单元上报整机系统状态，此时整机系统状态中包含接口板单板状态信息和业务板3单板状态信息； (k)接口板单片机处理器重新向业务板I单片机处理器发送状态查询指令，循环运行步骤(c)~(k)。
【文档编号】G06F11/26GK103810070SQ201310631799
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】刘亚舒, 张少甫, 雷丹丹, 戴宗武, 王欣, 蒋雪 申请人:航天恒星科技有限公司