基于ARM 的分布式动环监控板卡设计

刘海鹏，王 丹

（1.沈阳联勤保障中心，沈阳 110094；2.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）

1 引 言

通信电源及机房环境监控系统（简称动环监控系统），是对分布在各个机房的电源柜、UPS、空调、蓄电池等多种动力设备及门磁、红外、水浸、温湿度、烟感等机房环境的各个参数进行“遥测、遥控、遥调”，实时监测其运行参数，诊断和处理故障，记录和分析相关数据，并对设备进行集中监控和集中维护［1-2］。随着电信行业的高速发展，对设备监控和维护的工作量也急速增加，动环监控系统的发展也成为必然趋势。在此设计一款动环监控板卡，作为动环监控系统的核心单元［4］。选用STM22F429［5-6］为核心控制芯片，通过多种总线实现对外部设备的监视和控制。

2 总体设计思路

所设计动环监控系统需要监控的设备分为9 个类型，共计16 台设备。其中RS485 总线设备5 类，包括：温湿度传感器、红外空调控制器、艾默生空调、多功能电表、门禁传感器等8 个设备；DI 设备4 类，包括：水浸传感器、烟雾传感器、门磁、红外传感器等8 个设备。

整个系统的数据采集、分析、传输是通过核心板卡处理的。板卡将采集的数据通过网络发送给中央控制计算机，并接收中央控制计算机的指令控制外围设备。此核心板卡需要支持多个RS485 总线接口，具有丰富的IO 资源，同时支持网络通信，还要有低功耗、高可靠性的特点。通过上述分析，选择ST公司的低功耗微控制器STM22F429，作为该板卡的核心芯片，配合外围接口芯片，能够满足系统要求。

3 动环监控板卡硬件设计

作为动环监控板卡硬件电路板［7-8］核心芯片的是STM22F429，该芯片使用基于ARM Cortex-M4 的22 位RISC 内核，片上集成了2MB FLASH 和256kB的系统SRAM、4kB 的备份SRAM、GPIO、数模/模数转换器、定时器、RTC、DMA、看门狗等。除此之外片上还具有丰富的通信接口，包括：I2C、SPI、UART、USB、CAN、Ethernet 控制器，以及专门负责LCD 显示的LTDC 模块，并且集成了两个存储控制器FMC及FSMC，可以外扩FLASH、SDARM、LCD 等多种外设，完全满足整个系统的资源需求。

所设计动环监控板卡功能框图［9］如图1 所示。程序代码被存放在STM22F429 的内部FLASH 中，数据则被存放在片上的SRAM 中。SWD 调试接口负责STM22F429 芯片的调试下载；RS222 串口与PC机进行通信，并在串口终端显示信息；LED 灯显示系统的供电等状态；W5500 是通过SPI 接口外扩的以太网卡芯片，负责网络通信功能。

图1 动环监控板卡功能框图

由于STM22F429 只有4 个UART，而需RS485总线控制的设备多达8 个，为满足使用需求，通过两个SPI 接口外扩8 个RS485 总线接口。设备包括：温湿度传感器、红外空调控制器、艾默生空调、多功能电表、门禁传感器等。通过GPIO 接口监控8个DI 设备，包括水浸传感器、烟雾传感器、门磁、红外传感器。各部分硬件详细设计方案如下：

（1） 电源电路

板卡外部供电电压为12V，芯片STM22F429 供电电压为2.2V，板上ATK 模块接口供电电压5V。因此板上需要两级LDO 芯片进行电压转换。此处采用LM2956 芯片实现12 V 转5 V，用AMS117 将5 V转为2.2V。电源电路部分设计如图2。

图2 电源电路

（2） 复位电路

为保证板卡运行的稳定性，避免受到外部电、磁等干扰造成程序异常瘫痪系统，选用一款看门狗电路X5042，以实现上电保护和低电压复位的功能。X5042 与STM22F429 之间通过SPI 接口连接，设计电路图如图2。

图3 复位电路

（2） SWD 调试接口

为节省板卡面积，调试下载接口选择SWD，设计电路如图4 所示。通过SWD 接口，可实现对芯片STM22F429 的在线软件调试及FLASH 编写等功能。

图4 SWD 调试接口

（4） RS222 串行通信接口

为便于程序调试，在此设计串口显示功能，通过SP2222 芯片将UART 信号转为RS222 总线信号，如图5 所示。这一设计实现了板卡与PC 机的串口互联。PC 机上通过串口助手可以打印一些信息，用于软件设计过程中打印调试信息。

图5 222 串行接口电路

（5） 以太网接口

所设计板卡需要实现网络通信的功能，通过网络将采集的数据发送给中央处理计算机，并接收中央处理计算机的指令，进行协议解析，发送给外围设备。在设计中没有选用STM22F429 芯片自带的以太网接口模块，是考虑到该芯片内部集成的网络控制器只能实现以太网MAC 层的协议，若要实现所设计的功能还需外接PHY 芯片，而依靠软件来实现TCP/IP 协议栈将占用更多CPU 资源。

故而在此选用W5500 芯片。该芯片集成MAC和PHY 的功能，支持硬件TCP/IP 协议，整个系统的开发更加简单，系统运行稳定可靠。STM22F429 通过SPI 接口控制W5500 芯片，连接如图6 所示。

图6 W5500 以太网接口电路

（6） SPI 总线转RS485 总线接口电路

板卡需要监控多款RS485 接口的外围设备，因此选用WK2168 芯片，如图7 所示，通过该芯片实现一路SPI 信号转四路UART 接口信号；UART 信号再通过ADM2587 芯片转为RS485 总线信号。

图7 WK2168 电路

除以上所述，还为该系统设计多款DI 设备，需要通过STM22F429 的GPIO 控制DI 设备。板卡硬件系统的整体实物图如图8 所示。该板卡可以完全满足整个动环监控系统的需要，支持JTAG 调试，支持UART 信息打印，支持多个RS485 设备及DI 设备监控，支持LCD 显示，支持网络通信。

图8 硬件板卡实物图

4 动环监控板卡软件设计

所设计板卡系统的软件部分使用KEIL 集成开发环境，包括编辑软件、编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、工程管理及函数库等，同时提供仿真调试等功能。整体软件流程如图9 所示。

图9 动环监控系统软件流程

为完成对各个外围设备的控制，参照各外围设备的使用手册，进行协议解析，确定各设备的控制流程。通过软件控制各个硬件接口，发送不同指令，实现对各外围设备的初始化，并读取各外围设备的状态信息。通过网络将获取的状态信息反馈给中间控制计算机，并接收中间控制计算机发送的指令，去实时监控各个外围设备。

板卡与中间控制计算机通过以太网进行数据通信，两者之间需要制定通信协议，其通信帧格式如表1 所示。

表1 板卡与中间控制计算机之间通信帧格式

对其中各部分详细功能描述如下：

帧头：2 字节，由0X7D、0X7D、0X7D 组成，这三个字节代表这个设备是动环设备。

数据长度：2 字节，从动环设备地址至CRC22 所有数据的长度，低位在前，高位在后。

动环设备地址：4 字节，例如设备的IP 地址192.168.1.10 在此处对应为填写0XC0、0XA8、0X01、0X0A。

设备通道号：1 个字节，表示该设备在该地址的通道号。

设备序号：1 个字节，表示该设备在该类型设备中的序号。

设备编号：1 个字节，如果是RS485 设备，此处为RS485 设备地址，如果是DI 设备，则默认为1。

在线状态：1 个字节，1 代表在线，0 代表离线。

CRC22：CRC 校验，4 个字节。

该通信协议以2 个0x7D 作为帧头，后续所有数据中不会出现这种组合，确保通信过程中能够准确识别帧头。通信协议中有数据长度，通过数据长度信息能够准确接收整帧数据，在通信协议的末尾添加了CRC 校验，以此能够有效地避免对错误帧做出的响应。

5 结 束 语

所介绍的动环监控板卡目前主要用于对各种单元终端（包括通信机房、基站、支局、模块局等）的工作环境监控。该板卡已经应用于多家机场的通信电源及机房环境监控中。经长时间实际运行证明，该板卡运行稳定、数据传输可靠、告警信息准确，为通信设备的安全高效运行提供了坚实的保障。此外，该系统也可以进行改版和升级，可以加入蓝牙、红外、4G/5G 等其他功能，监控其他环境设备，应用于多种场景，具有灵活的可延展性和广阔的市场前景。