工業計算機健康管理系統研究

【關鍵詞】健康管理系統；傳感器檢測；串口通信

引言

隨著時代的發展，計算機的種類逐漸增多，應用于復雜工業環境中的工業計算機逐漸在市場上占有一席之地，但如何在高溫、高壓或密閉空間內實時監測計算機的健康狀態一直是一個難題。隨著芯片行業的快速發展，片上系統的概念逐漸清晰，將計算機主板與單片機融合的片上系統，可以實現計算機在復雜環境中的信息采樣。本文基于國產CS32系列單片機提出一種健康管理系統的設計方案，結合多組傳感器實現計算機在復雜環境下的溫度、電壓電流、風扇轉速檢測[1]。

一、系統總體設計

CS32單片機為一種依托進階精簡指令集機器架構的32位全國產微控制器，具備高度集成、高可靠性、高精度及低功耗等特性。目前大量應用于國產化片上系統中，高精度與低功耗的特性讓CS32單片機增色頗多，高精度令其在數據處理及運算中更為精確，滿足了現代電子產品在精確度方面的苛刻要求。而低功耗體現它在長時間運轉過程里，能高效做到能源節省，減少運用費用，同時也貼合了環保節能的社會趨勢。國產化片上系統中已普遍采用CS32單片機，使其成為大量電子產品的核心控制組件，在眾多應用場景中，其與DS18B20數字溫度傳感器的搭配運用尤其令人矚目。DS18B20作為成熟的數字溫度傳感器，憑借高精度和穩定性能，在溫度監測領域占據關鍵地位。基于串口通訊協議與CS32單片機實現實時通訊，DS18B20可實時將溫度數據傳輸至單片機進行處理。借助這種結合應用方式，可實現計算機主板溫度的實時監測，為計算機的穩定運行提供有力保障。值得一提的是，通過CS32單片機實現的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制效果，可進一步提升系統智能化水平。PWM控制是一種對脈沖寬度做調制的技術，采用改變脈沖寬度的方式控制模擬電路，屬于CS32單片機的應用范疇。電機控制、燈光亮度調節等領域普遍應用了PWM控制，不僅可實現對目標設備的精準控制，還能夠提升系統的效率與穩定性[2]。

CS32單片機與DS18B20數字溫度傳感器的結合應用，以及通過單片機實現的PWM控制功能，共同構建了一個高效、穩定、精準的控制系統。這一系統不僅為計算機主板溫度的實時監測提供了有力支持，也為其他領域的智能化控制提供了有益的參考和借鑒[3]。

系統總體設計框圖如圖1所示。微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）軟件在主板加電后，進行初始化設置，然后在主循環中采集電壓及溫度參數，并周期性地將數據通過串口發送出去，實現健康管理系統的周期上報和運行[4]。

二、主要設計

（一）MCU外圍電路設計

為了使MCU可以周期性上報串口信息，搭配相應時鐘并做濾波處理，本文采用了CS32單片機外圍電路。在實際檢測電路中，為了提高串口信息采集的穩定性，采用多組濾波電容進行信號濾波，并在MCU中編寫滑動窗口算法平滑采集數據[5]。

（二）采集電路初始化設計

采集電路是保證信號采集的關鍵。在電路設計上，當系統開始采集對應信息時，需首先完成整個模塊的初始化設計。采集電路的初始化設計框圖如圖2所示。

在現代電子設備運行過程中，初始化任務是保障設備穩定與高效運行的關鍵。系統接通電力的瞬間，設備依照預先安排的流程啟動，然后進行一系列初始化操作。此類初始化工作為設備搭建起完整的運行框架，使其在后續工作中能夠有序地開展任務[6]。

設備要開展時鐘初始化工作，時鐘作為設備運行的核心，掌管著所有操作的時間節律，保證各個模塊于恰當時間節點開展操作，進而讓整個設備協同有序地運轉，初始化時鐘不只是為了保證其精準、穩定地運轉，還為后續其他模塊的初始化工作搭建基準。待時鐘初始化完成后，其上升沿（也就是每個時鐘周期的上邊緣）會當作觸發信號，啟動通用輸入/輸出（GeneralPurpose Input/Output，GPIO）及串口數據的初始化工作[7]。

GPIO作為設備與外界交互的關鍵接口，它能接收外部信號并控制外部設備。在實際應用場景中，GPIO可與多種傳感器、執行器等設備相連，實現設備與外界環境的信息交互。在初始化階段，GPIO將被配置為適當的模式，以實現數據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，或設定為輸出模式控制外部設備動作，從而保證設備與外部設備的通信順暢有序。串口數據初始化不可或缺。串口通信是設備間常用的通信方式，負責設備與其他設備間的通信任務。在串口數據初始化階段，設備需要設置波特率、數據位、停止位等參數，確保設備之間按照相同通信協議進行數據交換，從而建立穩定的通信渠道，為后續的數據交互奠定基礎。在工業控制系統中，主控制器可通過串口與多個從設備進行通信，實時采集設備狀態數據并下達控制命令[8]。

設備啟動模數轉換器（AnalogtoDigital Converter，ADC）采樣處理初始化流程。ADC承擔將模擬信號轉化為數字信號的工作，在大量應用里發揮核心作用。在現實中，許多物理量諸如溫度、壓力以模擬信號形式存在，而設備內部的數字處理單元需進行數字信號的處理工作。ADC將這些模擬信號轉換成設備能處理的數字信號，通過初始化ADC，設備可保持采樣處理的精確性和可靠性，為后續數據處理和分析提供高質量的原始數據。在溫度監測系統中，ADC可將溫度傳感器采集到的模擬溫度信號轉換為數字信號，設備隨后根據這些數字信號進行進一步處理分析，如溫度顯示、報警等操作。

設備需要啟動DS18B20溫度傳感器的初始化工作。DS18B20是一款常見的數字溫度傳感器，可實時監測環境溫度并進行報告。在大量設備中，溫度是關鍵參數，直接關乎設備的性能與穩定性。通過對DS18B20進行初始化處理，設備能與其建立起穩定的通信聯系，從而獲得精準的溫度數據。這些數據對設備的溫度控制、散熱管理等意義重大，設備可根據溫度傳感器數據自動調節散熱風扇的轉速，讓設備在適宜溫度區間內運行。當全部初始化過程完成后，設備進入正常工作階段，即可開始執行既定任務和功能。無論是數據處理、通信傳輸還是溫度監測，設備都可通過初始化完成的模塊穩定、高效地運行。在這個過程中，各個模塊均起著不可替代的作用，它們彼此協作配合，構建起一個完整體系。

（三）采集模塊設計

在采集模塊中主要包含模數轉換（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據發送模塊。其中AD電壓采集模塊主要負責讀取AD轉換模塊轉換后的數據，并將數據存儲到全局緩沖數組中，該模塊為單一功能模塊，由STM32的庫函數實現。PCB溫度采集模塊通過串口與CS32單片機進行實時通訊，讀取溫度傳感器DS18B20轉換后的溫度數據，并轉換為實際的溫度數據。該模塊為單一功能模塊。串口數據發送模塊與片上系統的時鐘周期保持一致，周期性地將采集到的電壓數據及PCB溫度數據打包發送給主處理器，數據發送以幀為單位，包括幀頭、有效數據長度、有效數據、校驗和、幀尾，對輸入的3.3 V、1.8 V、1.2 V等模擬量進行轉換，轉換后的值存儲在全局緩沖區中。

三、數據管理的重要性

在工業管理中，數據管理是企業管理的重要組成部分。因此，在數據管理中引入現代技術和設備是可行的。在數據管理方面，通過制造執行系統和實驗室信息管理系統的集成，形成了典型的現代計算機技術企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）實施。ERP實施能夠將企業生產中的相關數據有機整合，并最終傳遞到系統中。生產管理人員可以通過信息系統對各生產單元的參數進行管理，記錄原材料消耗情況，在出現故障時及時做出調整。在工業管理過程中，做好生產環節的優化工作，選擇合適的生產管理優化軟件是非常必要的。優化軟件可以通過科學的工藝數學算法對原料及剩余原料進行合理控制，并根據實際情況制定合理的原料加工方案。在進行軟件優化之前，需要對化工市場進行詳細調研，將理論與實際生產相結合，實現企業化工生產效益的最大化。在中國工業管理市場方面，中石化率先引入了優化系統，大大提高了企業效益。其中，生產管理系統優化系統的工作原理是基于電子計算機平臺，通過線性規劃技術和遞歸方法，對生產環節數據進行分析，制定優化設計方案。在科學技術飛速發展的當今社會，計算機技術應逐步引入工業管理。例如，使用化工工藝調度軟件、繪圖應用管理、計算機仿真、數據管理和線性規劃優化。

四、總結與思考

文章對國產CS32系列單片機性能特點展開研究，并結合實際應用需求，設計出一套具有創新性的健康管理系統方案。此方案通過結合多組傳感器，實現在復雜環境中對計算機溫度、電壓電流及風扇轉速的精準監測，以此保障計算機穩定運行并延長其使用壽命。在健康管理系統設計過程中，筆者充分考慮了計算機在復雜環境中可能面臨的多種挑戰，經過精心篩選和配置多組傳感器，系統能實時監測計算機內部溫度、電壓電流及風扇轉速等關鍵參數狀況。這些傳感器具有高精度、高可靠性及快速響應的特點，可以準確反映計算機工作狀態。

就溫度檢測而言，系統采用了多個溫度探測傳感器，分別位于計算機內部的關鍵區域，如中央處理器、顯卡與磁盤等。這些傳感器可實時監控各部件的溫度變化，并將數據傳輸到單片機進行處理。單片機根據接收到的溫度數據，可判斷計算機是否處于過熱狀態，然后采取相應的散熱措施，防止因溫度過高導致的性能下降或硬件損壞。從電壓電流檢測角度講，系統通過電壓電流傳感器實時監測計算機電源狀態。此類傳感器能準確測量電源的電壓和電流值，并將數據傳輸給單片機進行分析。單片機可根據電壓電流數據判斷電源是否穩定，還可判定是否存在過載、短路等潛在隱患。一旦發現異常情況，系統可立即發出警報，提示用戶及時處理。系統通過風扇轉速傳感器實時監測計算機內部風扇的工作狀態，這些傳感器能精確測量風扇轉速，并將數據傳輸至單片機進行記錄和分析。單片機可根據風扇轉速數據判斷散熱系統運行是否正常，以及是否需要調整風扇轉速以優化散熱。

結語

本文設計的基于國產CS32系列單片機的健康管理系統設計方案，整合多組傳感器，實現了在復雜環境中對計算機溫度、電壓電流及風扇轉速的精準測定。該方案不僅提高了計算機的穩定性和可靠性，還為用戶提供了更便捷智能的健康管理體驗。

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