工業(yè)計(jì)算機(jī)健康管理系統(tǒng)研究

【關(guān)鍵詞】健康管理系統(tǒng)；傳感器檢測(cè)；串口通信

引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的種類逐漸增多，應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的工業(yè)計(jì)算機(jī)逐漸在市場(chǎng)上占有一席之地，但如何在高溫、高壓或密閉空間內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)的健康狀態(tài)一直是一個(gè)難題。隨著芯片行業(yè)的快速發(fā)展，片上系統(tǒng)的概念逐漸清晰，將計(jì)算機(jī)主板與單片機(jī)融合的片上系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中的信息采樣。本文基于國產(chǎn)CS32系列單片機(jī)提出一種健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合多組傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的溫度、電壓電流、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速檢測(cè)[1]。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

CS32單片機(jī)為一種依托進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器架構(gòu)的32位全國產(chǎn)微控制器，具備高度集成、高可靠性、高精度及低功耗等特性。目前大量應(yīng)用于國產(chǎn)化片上系統(tǒng)中，高精度與低功耗的特性讓CS32單片機(jī)增色頗多，高精度令其在數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算中更為精確，滿足了現(xiàn)代電子產(chǎn)品在精確度方面的苛刻要求。而低功耗體現(xiàn)它在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)過程里，能高效做到能源節(jié)省，減少運(yùn)用費(fèi)用，同時(shí)也貼合了環(huán)保節(jié)能的社會(huì)趨勢(shì)。國產(chǎn)化片上系統(tǒng)中已普遍采用CS32單片機(jī)，使其成為大量電子產(chǎn)品的核心控制組件，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中，其與DS18B20數(shù)字溫度傳感器的搭配運(yùn)用尤其令人矚目。DS18B20作為成熟的數(shù)字溫度傳感器，憑借高精度和穩(wěn)定性能，在溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域占據(jù)關(guān)鍵地位。基于串口通訊協(xié)議與CS32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊，DS18B20可實(shí)時(shí)將溫度數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)進(jìn)行處理。借助這種結(jié)合應(yīng)用方式，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)主板溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。值得一提的是，通過CS32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制效果，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)智能化水平。PWM控制是一種對(duì)脈沖寬度做調(diào)制的技術(shù)，采用改變脈沖寬度的方式控制模擬電路，屬于CS32單片機(jī)的應(yīng)用范疇。電機(jī)控制、燈光亮度調(diào)節(jié)等領(lǐng)域普遍應(yīng)用了PWM控制，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)設(shè)備的精準(zhǔn)控制，還能夠提升系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定性[2]。

CS32單片機(jī)與DS18B20數(shù)字溫度傳感器的結(jié)合應(yīng)用，以及通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的PWM控制功能，共同構(gòu)建了一個(gè)高效、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅為計(jì)算機(jī)主板溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了有力支持，也為其他領(lǐng)域的智能化控制提供了有益的參考和借鑒[3]。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）軟件在主板加電后，進(jìn)行初始化設(shè)置，然后在主循環(huán)中采集電壓及溫度參數(shù)，并周期性地將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)健康管理系統(tǒng)的周期上報(bào)和運(yùn)行[4]。

二、主要設(shè)計(jì)

（一）MCU外圍電路設(shè)計(jì)

為了使MCU可以周期性上報(bào)串口信息，搭配相應(yīng)時(shí)鐘并做濾波處理，本文采用了CS32單片機(jī)外圍電路。在實(shí)際檢測(cè)電路中，為了提高串口信息采集的穩(wěn)定性，采用多組濾波電容進(jìn)行信號(hào)濾波，并在MCU中編寫滑動(dòng)窗口算法平滑采集數(shù)據(jù)[5]。

（二）采集電路初始化設(shè)計(jì)

采集電路是保證信號(hào)采集的關(guān)鍵。在電路設(shè)計(jì)上，當(dāng)系統(tǒng)開始采集對(duì)應(yīng)信息時(shí)，需首先完成整個(gè)模塊的初始化設(shè)計(jì)。采集電路的初始化設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

在現(xiàn)代電子設(shè)備運(yùn)行過程中，初始化任務(wù)是保障設(shè)備穩(wěn)定與高效運(yùn)行的關(guān)鍵。系統(tǒng)接通電力的瞬間，設(shè)備依照預(yù)先安排的流程啟動(dòng)，然后進(jìn)行一系列初始化操作。此類初始化工作為設(shè)備搭建起完整的運(yùn)行框架，使其在后續(xù)工作中能夠有序地開展任務(wù)[6]。

設(shè)備要開展時(shí)鐘初始化工作，時(shí)鐘作為設(shè)備運(yùn)行的核心，掌管著所有操作的時(shí)間節(jié)律，保證各個(gè)模塊于恰當(dāng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)開展操作，進(jìn)而讓整個(gè)設(shè)備協(xié)同有序地運(yùn)轉(zhuǎn)，初始化時(shí)鐘不只是為了保證其精準(zhǔn)、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，還為后續(xù)其他模塊的初始化工作搭建基準(zhǔn)。待時(shí)鐘初始化完成后，其上升沿（也就是每個(gè)時(shí)鐘周期的上邊緣）會(huì)當(dāng)作觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)通用輸入/輸出（GeneralPurpose Input/Output，GPIO）及串口數(shù)據(jù)的初始化工作[7]。

GPIO作為設(shè)備與外界交互的關(guān)鍵接口，它能接收外部信號(hào)并控制外部設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，GPIO可與多種傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與外界環(huán)境的信息交互。在初始化階段，GPIO將被配置為適當(dāng)?shù)哪Ｊ剑詫?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確讀取與輸出操作。可將其配置為輸入模式接收外部傳感器信號(hào)，或設(shè)定為輸出模式控制外部設(shè)備動(dòng)作，從而保證設(shè)備與外部設(shè)備的通信順暢有序。串口數(shù)據(jù)初始化不可或缺。串口通信是設(shè)備間常用的通信方式，負(fù)責(zé)設(shè)備與其他設(shè)備間的通信任務(wù)。在串口數(shù)據(jù)初始化階段，設(shè)備需要設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)，確保設(shè)備之間按照相同通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而建立穩(wěn)定的通信渠道，為后續(xù)的數(shù)據(jù)交互奠定基礎(chǔ)。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，主控制器可通過串口與多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并下達(dá)控制命令[8]。

設(shè)備啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigital Converter，ADC）采樣處理初始化流程。ADC承擔(dān)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的工作，在大量應(yīng)用里發(fā)揮核心作用。在現(xiàn)實(shí)中，許多物理量諸如溫度、壓力以模擬信號(hào)形式存在，而設(shè)備內(nèi)部的數(shù)字處理單元需進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理工作。ADC將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成設(shè)備能處理的數(shù)字信號(hào)，通過初始化ADC，設(shè)備可保持采樣處理的精確性和可靠性，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析提供高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。在溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，ADC可將溫度傳感器采集到的模擬溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，設(shè)備隨后根據(jù)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理分析，如溫度顯示、報(bào)警等操作。

設(shè)備需要啟動(dòng)DS18B20溫度傳感器的初始化工作。DS18B20是一款常見的數(shù)字溫度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度并進(jìn)行報(bào)告。在大量設(shè)備中，溫度是關(guān)鍵參數(shù)，直接關(guān)乎設(shè)備的性能與穩(wěn)定性。通過對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化處理，設(shè)備能與其建立起穩(wěn)定的通信聯(lián)系，從而獲得精準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備的溫度控制、散熱管理等意義重大，設(shè)備可根據(jù)溫度傳感器數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，讓設(shè)備在適宜溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)全部初始化過程完成后，設(shè)備進(jìn)入正常工作階段，即可開始執(zhí)行既定任務(wù)和功能。無論是數(shù)據(jù)處理、通信傳輸還是溫度監(jiān)測(cè)，設(shè)備都可通過初始化完成的模塊穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。在這個(gè)過程中，各個(gè)模塊均起著不可替代的作用，它們彼此協(xié)作配合，構(gòu)建起一個(gè)完整體系。

（三）采集模塊設(shè)計(jì)

在采集模塊中主要包含模數(shù)轉(zhuǎn)換（AnalogtoDigital，AD）電壓采集模塊、印制電路板 （Printed Circuit Board，PCB）溫度采集模塊以及串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。其中AD電壓采集模塊主要負(fù)責(zé)讀取AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到全局緩沖數(shù)組中，該模塊為單一功能模塊，由STM32的庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)。PCB溫度采集模塊通過串口與CS32單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，讀取溫度傳感器DS18B20轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度數(shù)據(jù)。該模塊為單一功能模塊。串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與片上系統(tǒng)的時(shí)鐘周期保持一致，周期性地將采集到的電壓數(shù)據(jù)及PCB溫度數(shù)據(jù)打包發(fā)送給主處理器，數(shù)據(jù)發(fā)送以幀為單位，包括幀頭、有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、有效數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和、幀尾，對(duì)輸入的3.3 V、1.8 V、1.2 V等模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的值存儲(chǔ)在全局緩沖區(qū)中。

三、數(shù)據(jù)管理的重要性

在工業(yè)管理中，數(shù)據(jù)管理是企業(yè)管理的重要組成部分。因此，在數(shù)據(jù)管理中引入現(xiàn)代技術(shù)和設(shè)備是可行的。在數(shù)據(jù)管理方面，通過制造執(zhí)行系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的集成，形成了典型的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）實(shí)施。ERP實(shí)施能夠?qū)⑵髽I(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)有機(jī)整合，并最終傳遞到系統(tǒng)中。生產(chǎn)管理人員可以通過信息系統(tǒng)對(duì)各生產(chǎn)單元的參數(shù)進(jìn)行管理，記錄原材料消耗情況，在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)做出調(diào)整。在工業(yè)管理過程中，做好生產(chǎn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化工作，選擇合適的生產(chǎn)管理優(yōu)化軟件是非常必要的。優(yōu)化軟件可以通過科學(xué)的工藝數(shù)學(xué)算法對(duì)原料及剩余原料進(jìn)行合理控制，并根據(jù)實(shí)際情況制定合理的原料加工方案。在進(jìn)行軟件優(yōu)化之前，需要對(duì)化工市場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，將理論與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)企業(yè)化工生產(chǎn)效益的最大化。在中國工業(yè)管理市場(chǎng)方面，中石化率先引入了優(yōu)化系統(tǒng)，大大提高了企業(yè)效益。其中，生產(chǎn)管理系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)的工作原理是基于電子計(jì)算機(jī)平臺(tái)，通過線性規(guī)劃技術(shù)和遞歸方法，對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)逐步引入工業(yè)管理。例如，使用化工工藝調(diào)度軟件、繪圖應(yīng)用管理、計(jì)算機(jī)仿真、數(shù)據(jù)管理和線性規(guī)劃優(yōu)化。

四、總結(jié)與思考

文章對(duì)國產(chǎn)CS32系列單片機(jī)性能特點(diǎn)展開研究，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)出一套具有創(chuàng)新性的健康管理系統(tǒng)方案。此方案通過結(jié)合多組傳感器，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)計(jì)算機(jī)溫度、電壓電流及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，以此保障計(jì)算機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并延長(zhǎng)其使用壽命。在健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，筆者充分考慮了計(jì)算機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中可能面臨的多種挑戰(zhàn)，經(jīng)過精心篩選和配置多組傳感器，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)內(nèi)部溫度、電壓電流及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)狀況。這些傳感器具有高精度、高可靠性及快速響應(yīng)的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確反映計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)。

就溫度檢測(cè)而言，系統(tǒng)采用了多個(gè)溫度探測(cè)傳感器，分別位于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的關(guān)鍵區(qū)域，如中央處理器、顯卡與磁盤等。這些傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控各部件的溫度變化，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)根據(jù)接收到的溫度數(shù)據(jù)，可判斷計(jì)算機(jī)是否處于過熱狀態(tài)，然后采取相應(yīng)的散熱措施，防止因溫度過高導(dǎo)致的性能下降或硬件損壞。從電壓電流檢測(cè)角度講，系統(tǒng)通過電壓電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)電源狀態(tài)。此類傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量電源的電壓和電流值，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析。單片機(jī)可根據(jù)電壓電流數(shù)據(jù)判斷電源是否穩(wěn)定，還可判定是否存在過載、短路等潛在隱患。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)可立即發(fā)出警報(bào)，提示用戶及時(shí)處理。系統(tǒng)通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)內(nèi)部風(fēng)扇的工作狀態(tài)，這些傳感器能精確測(cè)量風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)進(jìn)行記錄和分析。單片機(jī)可根據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)判斷散熱系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，以及是否需要調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以優(yōu)化散熱。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于國產(chǎn)CS32系列單片機(jī)的健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，整合多組傳感器，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)計(jì)算機(jī)溫度、電壓電流及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)測(cè)定。該方案不僅提高了計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，還為用戶提供了更便捷智能的健康管理體驗(yàn)。

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