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1、嵌入式系统设计课程设计报告嵌入式机房监控系统的设计姓名： 学号： 专业： 学院： 2016 年 5 月 28 日摘要：文设计了一种基于嵌入式系统的机房环境监控系统，本系统可对机房内的各种环境参数进行监测和监视，并通过 GSM 短信和语音电话等通讯手段将环境异常情况及时反映给维护人员，实现机房的科学管理。利用嵌入式机房监控系统，解决机房监控系统的远程控制、程序维护等问题。关键词：嵌入式系统；监控系统；机房监测；远程控制0 引言随着我国经济的发展和计算机技术的普及，各行业对计算机系统的依赖越来越大，计算机房已成为各大单位的重要组成部分。为了确保机房设备的正常运行，对机房环境(温度、湿度、漏水等)的
2、维护提出了更高的要求。这种要求的特点是：实现对机房环境的远程监控，一旦机房环境出现异常，实时地将情况传送给管理人员，以便对异常隋况进行及时有效地处理，最终实现无人职守。与此同时，随着电子科学技术的发展，利用嵌入式技术构建远程监控系统凭借体积小、远程化、成本低、功耗小、操作界面人性化等特点已成为监控系统的发展主流1。监控系统一般采用 B/S 结构，为了提高运行效率和资源利用率，系统嵌入式 Web 是以TCP/IP 协议为底层，以 HTTP 为应用层的通信协议，为服务器提供了可靠的网络服务，并对其功能和实现进行优化，提高了传输速度和处理效率。监控端试用浏览器通过 IP 地址即可访问服务器实现监控功
3、能2。1 1 系统设计方案系统设计方案本设计有以下要求：（1）监测功能包括交流无源、直流欠压、环境温度、环境烟雾的监测；（2）报警方式多样化，诸如：发短信、打电话、现场语音警示；（3）可以支持远程监测与控制。1.1 系统工作原理借助 GSM 网络平台并利用语音和短信的方式，使机房动力与环境监测报警系统实时报警机房动力丢失或不足以及环境温度过高与烟雾浓度过高。另外，通过短信方式对该系统进行各项功能与参数设置，通过电话方式确认系统运行的可靠性。1.2 系统总体设计本系统采用 STM32F103 为主控芯片，因其精度较高，操作比较灵活，输入电路和输出电路由芯片来进行处理，电路的系统的稳定性高，功耗小
4、。如图 1 所示嵌入式机房监控系统的原理框图，它主要由监测电路、GSM 模块电路、语音电路、液晶显示电路、最小系统电路和电源电路六部分所构成。1.3 所用设备和软件本设计除了需要计算机，还会用到三款软件：作图软件 Protel99SE、仿真软件Proteus、编程软件 Keil uVision4。关于这三种软件的简介如表 1 所示。表 1 软件简介软件名称软件图标主要特点作用备注Protel99SEProtel99SE 是 PC 环境下以独特设计管理和协作 技术为核心的印制电路板设计软件系统，是基 于 Windows 95/98/2000/NT 的全 32 位 EDA 设 计系统。它主要采用了
5、 SmartDoc 技术、 SmartTool 技术、SmartTeam 技术6。绘制电路图和 PCB 板串口调试助手串口调试助手软件支持常用的 11025600bps 波 特率及自定义波特率，可以自动识别串口，能 设置校验、数据位和停止位，能以 ASCII 码或 十六进制接收或发送任何数据或字符，可以任 意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文 本文件，能发送任意大小的文本文件。查看串口数据Keil uVision4uVision4 在 uVision3 IDE 的基础上，增加了更 多大众化的功能：多显示器和灵活的窗口管理 系统；系统浏览器窗口的显示设备外设寄存器 信息；调试还原视图创建并
6、保存多个调试窗口 布局；多项目工作区简化与众多的项目。编写程序2 系统硬件设计基于 STM32F103 的嵌入式机房监控系统电路由监测电路、GSM 模块电路、语音电路、液晶显示电路、最小系统电路和电源电路六部分所构成。监测电路负责动力监测和环境监测，当监测的有异常情况时，会通过 GSM 模块电路中的 G600 发送短信给指定的手机号码；通过短信方式对该系统进行各项功能与参数设置，通过电话方式确认系统运行的可靠性。语音电路的功能就是在电话方式时播放当前系统状况；而液晶显示电路会显示系统监测到的当前信息；电源电路为整个系统提供能源。最小系统电路监测电路 语音电路GSM 模块电路嵌入式芯片图 1 嵌
7、入式机房监控系统的原理框图液晶显示电路2.1 监测电路监测电路负责动力监测和环境监测，即交流无源（交流 220V） 、直流欠压（直流48V） 、环境温度、环境烟雾的监测。如图 2 所示监测电路，动力监测就是动力电源通过简单的降压电路后，检测光耦另一端的开关信号的有无；而环境监测是直接读取传感器的 AD 值4。（1）交流无源监测当交流电源低于 200V 或断电时，产生“交流异常”报警电话或短信。（2）直流欠压监测当蓄电瓶直流电源低于 47V 时，产生“直流欠压”报警电话或短信。（3）环境温度监测当环境温度高于 30时，产生“温度超标”报警电话或短信。图 2 监测电路（4）环境烟雾监测当环境出现烟
8、雾时，产生“烟雾超标”报警电话或短信。2.2 GSM 模块电路G600 是 M2M 专家 FIBOCOM 为物联网应用推出的 GSM/GPRS 模块。它作为全面模块适用的主要领域包括安全、自动售货机、计量、网关、远程维护与控制、路由器等。如图 3 所示 GSM 模块电路，当系统监测到异常状况时，通过 GSM 模块电路中的 G600发送短信或打电话给指定的手机号码，通知维修人员及时排除故障；而维修人员可以使用短信方式对该系统进行各项功能与参数设置，可以通过电话方式确认系统运行的可靠性5。2.3 语音电路WT588D 语音芯片是早期可外挂 FLASH 的一款语音芯片，它具有音质较好、控制灵活的特点
9、，更增加了可播放 MIDI 和弦功能，性能更好。同时 WT588D 是一款具有嵌入式系统内核的语音芯片，因此，可以冠名为 WT588D 系列语音嵌入式系统。WT588D 系列语音嵌入式系统是广州唯创电子有限公司联合台湾华邦共同研发出来的集嵌入式系统和语音电路于一体的可编辑语音芯片。功能多音质好应用范围广性能稳定是 WT588D 系图 3 GSM 模块电路列语音嵌入式系统的特长，弥补了以往各类语音芯片应用领域狭小的缺陷，MP3 控制模式、按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制控制端口扩展输出模式，让应用人员能将产品投放在几乎可以想象得到的
10、场所。故本次设计利用 WT588D 构成如图 4 所示语音电路，其功能就是在电话方式时播放当前系统状况。2.4 液晶显示电路液晶显示电路需要选用一块液晶屏来显示系统监测到的当前信息，诸如：机房编号、当前环境温度、当前烟雾情况等。由于显示的内容不多用，4X8 的 LCD12864 就刚好可以满足需求。如图 5 所示基于 LCD12864 的液晶显示电路，由于 STM32F103 的 I/O 口充足，故采用串行接法，同时也可以简化编写程序的难度。图 4 语音电路图 5 液晶显示电路2.5 最小系统电路如图 6 所示最小系统电路，它由时钟、复位以及 JTAG 接口电路组成。2.5.1 时钟电路时钟频
11、率直接影响 STM32 芯片的速度，时钟电路的质量也直接影响其系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式做时钟电路。STM32 芯片内部有 2 个用于构成振荡器的高增益反相放大器，输入端为芯片引脚OSC_IN 和 OSC32_IN，输出端为引脚和 OSC32_OUT。每组引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，通常 OSC 的石英晶体选 8MHz，OSC32 的石英晶体选 32kHz 的。2.5.2 复位电路STM32 芯片的初始化操作，即给复位脚 RST 加上大于 2 个机器周期（即 24 个时钟振荡周期）的低
12、电平就使其复位。这些操作都是由复位电路来实现。在实用系统中，一般有两种复位操作形式：上电复位和手动复位。上电复位在 STM32 芯片每次通电时执行。上电时，电容 C 充电加给 RST 引脚一个短的低电平信号，此信号随着 VCC 对电容 C 的充电过程而逐渐回落，即 RST 引脚上的低电平持续时间取决于电容 C 充电时间。为保证系统可靠复位，RST 引脚上的低电平必须维持足够长的时间。手动复位在系统出现操作错误或程序运行出错时使用。在 STM32 系统运行过程中，按下复位键，低电平输入 RST 引脚，STM32 系统被强制执行复位操作，系统可以退出错误运行状态，恢复正常工作。由于本设计的需要，同
13、时采用这两种复位方式。2.5.3 JTAG 接口电路JTAG 最初是用来对芯片进行测试的，JTAG 的基本原理是在器件内部定义一个TAP（Test Access Port;测试访问口）通过专用的 JTAG 测试工具对进行内部节点进行测试。JTAG 测试允许多个器件通过 JTAG 接口串联在一起，形成一个 JTAG 链，能实现对各个器件分别测试。现在，JTAG 接口还常用于实现 ISP（In-System Programmable;在线编程） ，对 FLASH 等器件进行编程。 JTAG 编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上
14、，再用 JTAG 编程，从而大大加快工程进度。JTAG 接口可对 PSD 芯片内部的所有部件进行编程。2.6 电源电路当今社会大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。本设计的机房监控系统电路需要+3.3V、+4V、+5V 三类不同等级的电源才能保证正常工作。但因为本次设计重点不在电源，故采用现成的电源模块来实现。如图 7 所示电源电路，由于机房原本就有 48V 直流电源，故利用输入电压范围为 1872V 的稳压直流5V 电源模块 VB4805D-10W 可以得到+5V 电源，接着利用带能源模块 SPX293
15、02，结合简单的分压电路分别获得+4V、+3.3V。2.7 整体电路说明基于 STM32F103 的嵌入式机房监控系统电路由监测电路、GSM 模块电路、语音电路、液晶显示电路、最小系统电路和电源电路六部分所构成。监测电路负责动力监测和环境监测，当监测的有异常情况时，会通过 GSM 模块电路中的 G600 发送短信给指定的图 7 电源电路图 6 最小系统电路手机号码；通过短信方式对该系统进行各项功能与参数设置，通过电话方式确认系统运行的可靠性。语音电路的功能就是在电话方式时播放当前系统状况；而液晶显示电路会显示系统监测到的当前信息；电源电路为整个系统提供能源7。整体电路图见附录 1。3 系统软件
16、设计系统功能的实现一般包括硬件部分和软件部分，一旦硬件确定下来，软件要实现的功能也随之确定。而为使编程思路清晰，应先绘制程序流程图。3.1 系统硬件接口定义系统硬件接口定义如表 2 所示。表 2 系统硬件接口定义引脚号引脚名接口说明备注37PC6交流 220V 监测端38PC7直流 48V 监测端44PA11温度传感器 DS18B20 监测端45PA12蜂鸣器控制端57PB5烟雾传感器监测端15PA12023PA4PA72426PC4、PC5、PB0LCD12864 数据口14PA0LCD12864 复位端27PB1LCD12864 的 E 端29PB10LCD12864 的 R/W 端30PB11LCD12864 的 RS 端41PA8G600 复位端42PA9G600 的 RXD 端43PA10G600 的 TXD 端33PB12WT588D 复位端34PB13WT588D 时钟线35PB14WT588D 片选端36PB15WT588D 数据线3.2 主函数主函数流程图如图
