王 強(qiáng) 吳來萍 王國棟

（1、航天亮麗電氣有限責(zé)任公司，陜西 西安710116 2、北京無線電測量研究所，北京100854）

數(shù)據(jù)采集及獨(dú)立監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)開發(fā)是國防科工局課題“地面雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行智能保障平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)”的重要組成部分。由于對(duì)圖像效果日益增強(qiáng)的需求，需要提高采集數(shù)據(jù)的頻率。隨著雷達(dá)數(shù)據(jù)管道變得越來越大，VPX 將成為解決這些需求的新技術(shù)。針對(duì)目前數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測平臺(tái)，無法滿足所需采集范圍和精度等情況，所以本文提出了基于VPX 架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集及獨(dú)立監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于VPX 架構(gòu)，設(shè)計(jì)滿足IPMI 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

VPX 是基于高速串行總線的新一代總線標(biāo)準(zhǔn)，由VME 國際貿(mào)易協(xié)會(huì)組織制定，是目前國際上兼容性最好的軍用嵌入式規(guī)范。具有模塊化、通用化、擴(kuò)展性、開放性、高可靠等特點(diǎn)，并且在機(jī)械結(jié)構(gòu)和導(dǎo)冷抗震方面具有優(yōu)勢[1]。IPMI 是智能型平臺(tái)管理接口（Intelligent Platform Management Interface）的縮寫，是管理基于Intel 結(jié)構(gòu)的企業(yè)系統(tǒng)中所使用的外圍設(shè)備采用的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)由英特爾、惠普、NEC、美國戴爾電腦和SuperMicro 等公司制定。本系統(tǒng)基于VPX 機(jī)箱，并采用對(duì)機(jī)箱和板卡獨(dú)立供電的方式，搭建可靠的數(shù)據(jù)采集及獨(dú)立檢測網(wǎng)絡(luò)，利用以太網(wǎng)傳輸，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控，在航天領(lǐng)域有著重要的作用。

1 VPX 機(jī)箱整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為滿足課題需求，設(shè)計(jì)具備以下5 個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多方位采集和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的搭建。正常工作環(huán)境應(yīng)滿足：工作溫度為0℃～40℃；貯存溫度為-10℃～60℃；工作相對(duì)濕度：≤70%RH（無凝結(jié)）；存儲(chǔ)濕度：≤80%RH（無凝結(jié)）；防霉菌、防潮濕等。

功能一：具備大氣環(huán)境監(jiān)測采集功能，包括溫度、濕度、風(fēng)速、雨量、氣壓。

（1）溫度測量范圍：-50℃～85℃，測量精度：±1℃；

（2）濕度測量范圍：（0～100）%RH，測量精度：±4%；

（3）風(fēng)速測量范圍：0～60m/s，測量精度±0.3m/s 或3%；

（4）測量雨強(qiáng)范圍：0～4mm/min，測量精度±0.1mm/min；

（5）氣壓：測量范圍10～1100 百帕；分辨率0.1 百帕；測量精度±0.5 百帕。

功能二：具備單獨(dú)的溫濕度監(jiān)測采集功能。

溫度精度1℃，溫度測量范圍-40～85℃；濕度精度4%，濕度測量范圍為0%～100%。

功能三：具備單獨(dú)的風(fēng)速監(jiān)測采集功能。

風(fēng)速0～30m/S，精度±6%。

功能四：具備力學(xué)監(jiān)測采集功能，包括應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)、沖擊。

（1）應(yīng)力應(yīng)變采集：量程±19999με，頻響0-1000Hz；

（2）三軸低頻振動(dòng)采集：量程±10g，頻響0-10Hz；

（3）三軸沖擊采集：量程±2000g，頻響1-10000Hz。

功能五：具備電源參數(shù)采集功能。

監(jiān)測對(duì)象（電源模塊）的電壓、電流、頻率、紋波、加電時(shí)間、溫度等數(shù)據(jù)。

針對(duì)所需數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，設(shè)計(jì)VPX 機(jī)箱管理系統(tǒng)為三個(gè)子系統(tǒng)：系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、機(jī)箱管理子系統(tǒng)和板卡管理子系統(tǒng)[2]。如圖1 所示，系統(tǒng)管理子系統(tǒng)運(yùn)行于機(jī)箱外，通過SNMP 協(xié)議接口對(duì)機(jī)箱進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)別管理；機(jī)箱管理子系統(tǒng)運(yùn)行于機(jī)箱內(nèi)的主控板卡上，通過SNMP 協(xié)議處理系統(tǒng)管理軟件對(duì)機(jī)箱的配置請(qǐng)求，ChMC（板級(jí)管理控制器）通過IPMB 總線收發(fā)IPMI 消息實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)箱內(nèi)FRU 模塊的管理配置；板卡管理子系統(tǒng)運(yùn)行于各個(gè)功能板以及電源模塊、制冷模塊的IPMC 控制器上，其控制器IPMC 通過IPMB 總線收發(fā)IPMI 消息，處理對(duì)本地板卡的配置管理請(qǐng)求以及將各類事件進(jìn)行上報(bào)[3]。數(shù)據(jù)采集及獨(dú)立檢測網(wǎng)絡(luò)Part1 整體由Part2、Part3、Part4 三部分構(gòu)成。其中Part2、Part3 通過Ethernet interface 接口與Supervisor 數(shù)據(jù)打包后透明傳輸。Part3 遵循IPMI 協(xié)議的VPX 框架，內(nèi)部接入多個(gè)IPMC 子板進(jìn)行獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，ChMC 主控NXPK64 與IPMC 子板管理器NXPK10 通過IPMB/A 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，Part4 根據(jù)檢測類型由IPMC 子板外接不同的傳感器。

圖1 IPMI 獨(dú)立監(jiān)控平臺(tái)原理框圖

1.1 激勵(lì)器電源設(shè)計(jì)

激勵(lì)器電源主要由電源連接電纜、電源輸入插座、空氣開關(guān)、電源總開關(guān)、電源指示燈、電源模塊組成。其中電源總開關(guān)和電源指示燈安裝在激勵(lì)器機(jī)柜正面，其他組成部分安裝在機(jī)柜內(nèi)部。電源接入激勵(lì)器后，打開電源總開關(guān)，電源指示燈亮，此時(shí)激勵(lì)器帶電，可開機(jī)進(jìn)行功能測試。激勵(lì)器供電關(guān)系連接圖如圖2 所示。

圖2 激勵(lì)器供電關(guān)系連接圖

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，采用各類傳感器及外圍電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖3 所示。各電路模塊介紹如下：

圖3 數(shù)據(jù)采集及IPMC 框圖

1.2.1 振動(dòng)傳感器電路

使用MSV3100A 變電容式三軸加速度傳感器，該傳感器基于MEMS 變電容式加速度檢測技術(shù)，可響應(yīng)超低頻加速度乃至0 頻率加速度。振動(dòng)傳感器得三軸（X,Y,Z）信號(hào)，先經(jīng)射隨電路，與2.5V 基準(zhǔn)電壓差分放大，跟隨后送給16 位AD。

1.2.2 沖擊傳感器電路

使用MSV3100A 變電容式三軸加速度傳感器，沖擊傳感器的三軸信號(hào)，先經(jīng)過射隨電路，與2.5V 基準(zhǔn)電壓差分放大，跟隨以后送給獨(dú)立16 位AD。

1.2.3 應(yīng)力傳感器電路

本系統(tǒng)使用MSSS100 箔式電阻應(yīng)變計(jì)，該傳感器是基于受力變形所引起得應(yīng)變電阻變化。應(yīng)力傳感器的信號(hào)，先經(jīng)過電橋，再通過儀用放大器放大，最后通過跟隨電路以后送給獨(dú)立16 位AD。

1.2.4 紋波信號(hào)調(diào)理電路

直流電壓的信號(hào)，先經(jīng)電容濾掉直流信號(hào)，保留交流信號(hào)，通過濾波，兩向放大電路放大，再送入峰值電壓采樣電路，最后分壓輸出送入16 位AD。

1.2.5 AD 采集電路

兩路16 位同步采AD 用來采集振動(dòng)傳感器、沖擊傳感器、應(yīng)力傳感器、紋波數(shù)據(jù)，風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)以及VPX 機(jī)箱內(nèi)的-12V 電壓，GD32F450（微控制器型號(hào)）通過SPI 接口讀取AD 數(shù)據(jù)。

1.2.6 環(huán)境氣象傳感器電路

使用FRT FWS 系列微型氣象站，GD32F450 通過RS485 給環(huán)境氣象傳感器發(fā)送相應(yīng)命令，讀取傳感器數(shù)據(jù)。

1.2.7 溫濕度傳感器電路

使用MSH 溫濕度傳感器，該傳感器基于熱固性聚合物電容感應(yīng)元件的多層構(gòu)造，可抵御大多數(shù)的應(yīng)用危險(xiǎn)。GD32F450 通過給MSH 溫濕度傳感器發(fā)送命令，讀取傳感器數(shù)據(jù)。

1.2.8 風(fēng)速傳感器電路

使用MFS20 系列風(fēng)速傳感器，該傳感器核心敏感件包括敏感芯片和電路調(diào)理兩個(gè)部分。風(fēng)速傳感器信號(hào)經(jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓后，再通過跟隨電路，送入16 位AD7606，GD32F450 通過SPI 接口讀取寄存器數(shù)據(jù)，計(jì)算得出風(fēng)速。

1.2.9 220V 電壓、電流、頻率采集電路

GD32F450 通過RS485 給電壓電流采集模塊發(fā)送相應(yīng)命令，讀取相應(yīng)電壓、電流、頻率數(shù)據(jù)。

1.2.10 監(jiān)測電壓電路

VPX 機(jī)箱內(nèi)的+12V、+5V、+3.3V 通過分壓送到GD320F450的AD，GD320F450 讀取寄存器數(shù)據(jù)。

1.3 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)通過協(xié)議傳輸?shù)轿⒖刂破鳎賹⒍〞r(shí)采集的數(shù)據(jù)組包，經(jīng)串口發(fā)送給IPMC，MDK64 將數(shù)據(jù)映射到SDR，IPMC 通過IPMB 總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給CHMC，采用SNMP 協(xié)議，通過LAN 發(fā)給上位機(jī)管理軟件，如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

其中，微控制器采用兆易GD32F450VGT6，Cortex-M4 內(nèi)核，運(yùn)行主頻是200M，內(nèi)部自帶16 通道12 位ADC，使用CodeWarrior Development Studio 軟件平臺(tái)，C 語言開發(fā)。采集器主要負(fù)責(zé)將傳感器的模擬信號(hào)經(jīng)過調(diào)理，濾波放大，再通過ADC 采集并進(jìn)行處理，內(nèi)部12 位ADC 采集VPX 電源電壓3.3V、12V、+5V，外部有兩片AD7606，16 位8 通道同步采ADC，沖擊傳感器、振動(dòng)傳感器的X、Y、Z 軸加速度信號(hào)，風(fēng)速傳感器的數(shù)據(jù)，三路紋波信號(hào)以及三路應(yīng)力應(yīng)變以及外部兩路27V 和12V 電源電壓的采集，通過I2C 采集獨(dú)立溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，一路RS485 電路采集環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)，一路RS485 采集交流VPX 電源的電壓、電流以及頻率，數(shù)據(jù)采集完成以后處理，并且組包發(fā)送給IPMC 模塊。

IPMC 采用飛思卡爾MK10DX256VLH7，Cortex-M4 內(nèi)核，256K 內(nèi)部Flash，64KRAM，運(yùn)行主頻72M，帶符合IPMI 總線的I2C 接口，使用CodeWarrior Development Studio 軟件平臺(tái)，C 語言開發(fā)。IPMC 作為機(jī)箱管理系統(tǒng)的重要組成部分，板卡管理子系統(tǒng)承擔(dān)機(jī)箱內(nèi)多個(gè)不同類型功能模塊的IPMI 管理控制任務(wù)。為機(jī)箱管理提供訪問本地FRU 的管理接口。

命令處理模塊根據(jù)IPMI 協(xié)議將解析后的數(shù)據(jù)處理，包括SDR 和FRU 相關(guān)信息的存儲(chǔ)讀??；處理命令時(shí)調(diào)用底層硬件訪問接口實(shí)現(xiàn)上層主控板卡需求數(shù)據(jù)的采集計(jì)算。IPMC 控制器內(nèi)集成了CONSOLE 命令解釋器，可通過串口實(shí)現(xiàn)命令行管理。

2 系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

本系統(tǒng)通過SNMP 協(xié)議，將所有數(shù)據(jù)信息傳遞到PC 端，由PC 端可監(jiān)控CHMC 和IPMC 的數(shù)據(jù)信息。顯示界面可直接查看到傳感器實(shí)際值是否在要求的閾值范圍內(nèi)，并觀察到是否進(jìn)行動(dòng)作，以讓實(shí)際值恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)電源溫度過高時(shí)，超過閾值范圍，風(fēng)扇開始運(yùn)行，根據(jù)溫度變化，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可變，實(shí)現(xiàn)傳感器閾值反饋。在顯示界面中，CHMC板卡得到的部分信息如圖5 所示，IPMC 板卡得到的部分信息如圖6 所示，從顯示界面可直觀的看到采集信息的結(jié)果，以便于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)發(fā)生事件的監(jiān)測，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

圖5 CHMC 板卡得到的部分信息

圖6 IPMC 板卡得到的部分信息

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于以太網(wǎng)IP 地址實(shí)現(xiàn)IPMC 和CHMC 信息監(jiān)控系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)顯示頁面上對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)管理及上報(bào)的方式，IPMC 板級(jí)管理軟件對(duì)于讀取的傳感器數(shù)據(jù)設(shè)置合理的閾值判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不同精度類型的數(shù)據(jù)，管理軟件建立不同的列表用相應(yīng)的容錯(cuò)值和滯回值配合上下限閾值進(jìn)行精確地判斷，觸發(fā)事件上發(fā)并設(shè)計(jì)重傳機(jī)制，以完成傳感器數(shù)據(jù)處理。