劉海鵬，王 丹

（1.沈陽聯(lián)勤保障中心，沈陽 110094；2.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引 言

通信電源及機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)），是對分布在各個機房的電源柜、UPS、空調(diào)、蓄電池等多種動力設(shè)備及門磁、紅外、水浸、溫濕度、煙感等機房環(huán)境的各個參數(shù)進行“遙測、遙控、遙調(diào)”，實時監(jiān)測其運行參數(shù)，診斷和處理故障，記錄和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，并對設(shè)備進行集中監(jiān)控和集中維護［1-2］。隨著電信行業(yè)的高速發(fā)展，對設(shè)備監(jiān)控和維護的工作量也急速增加，動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展也成為必然趨勢。在此設(shè)計一款動環(huán)監(jiān)控板卡，作為動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的核心單元［4］。選用STM22F429［5-6］為核心控制芯片，通過多種總線實現(xiàn)對外部設(shè)備的監(jiān)視和控制。

2 總體設(shè)計思路

所設(shè)計動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)控的設(shè)備分為9 個類型，共計16 臺設(shè)備。其中RS485 總線設(shè)備5 類，包括：溫濕度傳感器、紅外空調(diào)控制器、艾默生空調(diào)、多功能電表、門禁傳感器等8 個設(shè)備；DI 設(shè)備4 類，包括：水浸傳感器、煙霧傳感器、門磁、紅外傳感器等8 個設(shè)備。

整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸是通過核心板卡處理的。板卡將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中央控制計算機，并接收中央控制計算機的指令控制外圍設(shè)備。此核心板卡需要支持多個RS485 總線接口，具有豐富的IO 資源，同時支持網(wǎng)絡(luò)通信，還要有低功耗、高可靠性的特點。通過上述分析，選擇ST公司的低功耗微控制器STM22F429，作為該板卡的核心芯片，配合外圍接口芯片，能夠滿足系統(tǒng)要求。

3 動環(huán)監(jiān)控板卡硬件設(shè)計

作為動環(huán)監(jiān)控板卡硬件電路板［7-8］核心芯片的是STM22F429，該芯片使用基于ARM Cortex-M4 的22 位RISC 內(nèi)核，片上集成了2MB FLASH 和256kB的系統(tǒng)SRAM、4kB 的備份SRAM、GPIO、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器、RTC、DMA、看門狗等。除此之外片上還具有豐富的通信接口，包括：I2C、SPI、UART、USB、CAN、Ethernet 控制器，以及專門負責(zé)LCD 顯示的LTDC 模塊，并且集成了兩個存儲控制器FMC及FSMC，可以外擴FLASH、SDARM、LCD 等多種外設(shè)，完全滿足整個系統(tǒng)的資源需求。

所設(shè)計動環(huán)監(jiān)控板卡功能框圖［9］如圖1 所示。程序代碼被存放在STM22F429 的內(nèi)部FLASH 中，數(shù)據(jù)則被存放在片上的SRAM 中。SWD 調(diào)試接口負責(zé)STM22F429 芯片的調(diào)試下載；RS222 串口與PC機進行通信，并在串口終端顯示信息；LED 燈顯示系統(tǒng)的供電等狀態(tài)；W5500 是通過SPI 接口外擴的以太網(wǎng)卡芯片，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信功能。

圖1 動環(huán)監(jiān)控板卡功能框圖

由于STM22F429 只有4 個UART，而需RS485總線控制的設(shè)備多達8 個，為滿足使用需求，通過兩個SPI 接口外擴8 個RS485 總線接口。設(shè)備包括：溫濕度傳感器、紅外空調(diào)控制器、艾默生空調(diào)、多功能電表、門禁傳感器等。通過GPIO 接口監(jiān)控8個DI 設(shè)備，包括水浸傳感器、煙霧傳感器、門磁、紅外傳感器。各部分硬件詳細設(shè)計方案如下：

（1） 電源電路

板卡外部供電電壓為12V，芯片STM22F429 供電電壓為2.2V，板上ATK 模塊接口供電電壓5V。因此板上需要兩級LDO 芯片進行電壓轉(zhuǎn)換。此處采用LM2956 芯片實現(xiàn)12 V 轉(zhuǎn)5 V，用AMS117 將5 V轉(zhuǎn)為2.2V。電源電路部分設(shè)計如圖2。

圖2 電源電路

（2） 復(fù)位電路

為保證板卡運行的穩(wěn)定性，避免受到外部電、磁等干擾造成程序異常癱瘓系統(tǒng)，選用一款看門狗電路X5042，以實現(xiàn)上電保護和低電壓復(fù)位的功能。X5042 與STM22F429 之間通過SPI 接口連接，設(shè)計電路圖如圖2。

圖3 復(fù)位電路

（2） SWD 調(diào)試接口

為節(jié)省板卡面積，調(diào)試下載接口選擇SWD，設(shè)計電路如圖4 所示。通過SWD 接口，可實現(xiàn)對芯片STM22F429 的在線軟件調(diào)試及FLASH 編寫等功能。

圖4 SWD 調(diào)試接口

（4） RS222 串行通信接口

為便于程序調(diào)試，在此設(shè)計串口顯示功能，通過SP2222 芯片將UART 信號轉(zhuǎn)為RS222 總線信號，如圖5 所示。這一設(shè)計實現(xiàn)了板卡與PC 機的串口互聯(lián)。PC 機上通過串口助手可以打印一些信息，用于軟件設(shè)計過程中打印調(diào)試信息。

圖5 222 串行接口電路

（5） 以太網(wǎng)接口

所設(shè)計板卡需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的功能，通過網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理計算機，并接收中央處理計算機的指令，進行協(xié)議解析，發(fā)送給外圍設(shè)備。在設(shè)計中沒有選用STM22F429 芯片自帶的以太網(wǎng)接口模塊，是考慮到該芯片內(nèi)部集成的網(wǎng)絡(luò)控制器只能實現(xiàn)以太網(wǎng)MAC 層的協(xié)議，若要實現(xiàn)所設(shè)計的功能還需外接PHY 芯片，而依靠軟件來實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議棧將占用更多CPU 資源。

故而在此選用W5500 芯片。該芯片集成MAC和PHY 的功能，支持硬件TCP/IP 協(xié)議，整個系統(tǒng)的開發(fā)更加簡單，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。STM22F429 通過SPI 接口控制W5500 芯片，連接如圖6 所示。

圖6 W5500 以太網(wǎng)接口電路

（6） SPI 總線轉(zhuǎn)RS485 總線接口電路

板卡需要監(jiān)控多款RS485 接口的外圍設(shè)備，因此選用WK2168 芯片，如圖7 所示，通過該芯片實現(xiàn)一路SPI 信號轉(zhuǎn)四路UART 接口信號；UART 信號再通過ADM2587 芯片轉(zhuǎn)為RS485 總線信號。

圖7 WK2168 電路

除以上所述，還為該系統(tǒng)設(shè)計多款DI 設(shè)備，需要通過STM22F429 的GPIO 控制DI 設(shè)備。板卡硬件系統(tǒng)的整體實物圖如圖8 所示。該板卡可以完全滿足整個動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的需要，支持JTAG 調(diào)試，支持UART 信息打印，支持多個RS485 設(shè)備及DI 設(shè)備監(jiān)控，支持LCD 顯示，支持網(wǎng)絡(luò)通信。

圖8 硬件板卡實物圖

4 動環(huán)監(jiān)控板卡軟件設(shè)計

所設(shè)計板卡系統(tǒng)的軟件部分使用KEIL 集成開發(fā)環(huán)境，包括編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、工程管理及函數(shù)庫等，同時提供仿真調(diào)試等功能。整體軟件流程如圖9 所示。

圖9 動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

為完成對各個外圍設(shè)備的控制，參照各外圍設(shè)備的使用手冊，進行協(xié)議解析，確定各設(shè)備的控制流程。通過軟件控制各個硬件接口，發(fā)送不同指令，實現(xiàn)對各外圍設(shè)備的初始化，并讀取各外圍設(shè)備的狀態(tài)信息。通過網(wǎng)絡(luò)將獲取的狀態(tài)信息反饋給中間控制計算機，并接收中間控制計算機發(fā)送的指令，去實時監(jiān)控各個外圍設(shè)備。

板卡與中間控制計算機通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信，兩者之間需要制定通信協(xié)議，其通信幀格式如表1 所示。

表1 板卡與中間控制計算機之間通信幀格式

對其中各部分詳細功能描述如下：

幀頭：2 字節(jié)，由0X7D、0X7D、0X7D 組成，這三個字節(jié)代表這個設(shè)備是動環(huán)設(shè)備。

數(shù)據(jù)長度：2 字節(jié)，從動環(huán)設(shè)備地址至CRC22 所有數(shù)據(jù)的長度，低位在前，高位在后。

動環(huán)設(shè)備地址：4 字節(jié)，例如設(shè)備的IP 地址192.168.1.10 在此處對應(yīng)為填寫0XC0、0XA8、0X01、0X0A。

設(shè)備通道號：1 個字節(jié)，表示該設(shè)備在該地址的通道號。

設(shè)備序號：1 個字節(jié)，表示該設(shè)備在該類型設(shè)備中的序號。

設(shè)備編號：1 個字節(jié)，如果是RS485 設(shè)備，此處為RS485 設(shè)備地址，如果是DI 設(shè)備，則默認為1。

在線狀態(tài)：1 個字節(jié)，1 代表在線，0 代表離線。

CRC22：CRC 校驗，4 個字節(jié)。

該通信協(xié)議以2 個0x7D 作為幀頭，后續(xù)所有數(shù)據(jù)中不會出現(xiàn)這種組合，確保通信過程中能夠準確識別幀頭。通信協(xié)議中有數(shù)據(jù)長度，通過數(shù)據(jù)長度信息能夠準確接收整幀數(shù)據(jù)，在通信協(xié)議的末尾添加了CRC 校驗，以此能夠有效地避免對錯誤幀做出的響應(yīng)。

5 結(jié) 束 語

所介紹的動環(huán)監(jiān)控板卡目前主要用于對各種單元終端（包括通信機房、基站、支局、模塊局等）的工作環(huán)境監(jiān)控。該板卡已經(jīng)應(yīng)用于多家機場的通信電源及機房環(huán)境監(jiān)控中。經(jīng)長時間實際運行證明，該板卡運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠、告警信息準確，為通信設(shè)備的安全高效運行提供了堅實的保障。此外，該系統(tǒng)也可以進行改版和升級，可以加入藍牙、紅外、4G/5G 等其他功能，監(jiān)控其他環(huán)境設(shè)備，應(yīng)用于多種場景，具有靈活的可延展性和廣闊的市場前景。