基于VPX 架构的数据采集及独立监测系统设计

王 强 吴来萍 王国栋

（1、航天亮丽电气有限责任公司，陕西 西安710116 2、北京无线电测量研究所，北京100854）

数据采集及独立监测网络设计开发是国防科工局课题“地面雷达系统运行智能保障平台构建技术”的重要组成部分。由于对图像效果日益增强的需求，需要提高采集数据的频率。随着雷达数据管道变得越来越大，VPX 将成为解决这些需求的新技术。针对目前数据采集及监测平台，无法满足所需采集范围和精度等情况，所以本文提出了基于VPX 架构的数据采集及独立监测系统的设计与实现。监测网络基于VPX 架构，设计满足IPMI 标准协议。

VPX 是基于高速串行总线的新一代总线标准，由VME 国际贸易协会组织制定，是目前国际上兼容性最好的军用嵌入式规范。具有模块化、通用化、扩展性、开放性、高可靠等特点，并且在机械结构和导冷抗震方面具有优势[1]。IPMI 是智能型平台管理接口（Intelligent Platform Management Interface）的缩写，是管理基于Intel 结构的企业系统中所使用的外围设备采用的一种工业标准，该标准由英特尔、惠普、NEC、美国戴尔电脑和SuperMicro 等公司制定。本系统基于VPX 机箱，并采用对机箱和板卡独立供电的方式，搭建可靠的数据采集及独立检测网络，利用以太网传输，实时显示监控，在航天领域有着重要的作用。

1 VPX 机箱整体设计

本系统为满足课题需求，设计具备以下5 个功能，实现数据的多方位采集和监测网络的搭建。正常工作环境应满足：工作温度为0℃～40℃；贮存温度为-10℃～60℃；工作相对湿度：≤70%RH（无凝结）；存储湿度：≤80%RH（无凝结）；防霉菌、防潮湿等。

功能一：具备大气环境监测采集功能，包括温度、湿度、风速、雨量、气压。

（1）温度测量范围：-50℃～85℃，测量精度：±1℃；

（2）湿度测量范围：（0～100）%RH，测量精度：±4%；

（3）风速测量范围：0～60m/s，测量精度±0.3m/s 或3%；

（4）测量雨强范围：0～4mm/min，测量精度±0.1mm/min；

（5）气压：测量范围10～1100 百帕；分辨率0.1 百帕；测量精度±0.5 百帕。

功能二：具备单独的温湿度监测采集功能。

温度精度1℃，温度测量范围-40～85℃；湿度精度4%，湿度测量范围为0%～100%。

功能三：具备单独的风速监测采集功能。

风速0～30m/S，精度±6%。

功能四：具备力学监测采集功能，包括应力应变、振动、冲击。

（1）应力应变采集：量程±19999με，频响0-1000Hz；

（2）三轴低频振动采集：量程±10g，频响0-10Hz；

（3）三轴冲击采集：量程±2000g，频响1-10000Hz。

功能五：具备电源参数采集功能。

监测对象（电源模块）的电压、电流、频率、纹波、加电时间、温度等数据。

针对所需数据采集及实时监控功能，设计VPX 机箱管理系统为三个子系统：系统管理子系统、机箱管理子系统和板卡管理子系统[2]。如图1 所示，系统管理子系统运行于机箱外，通过SNMP 协议接口对机箱进行系统级别管理；机箱管理子系统运行于机箱内的主控板卡上，通过SNMP 协议处理系统管理软件对机箱的配置请求，ChMC（板级管理控制器）通过IPMB 总线收发IPMI 消息实现对机箱内FRU 模块的管理配置；板卡管理子系统运行于各个功能板以及电源模块、制冷模块的IPMC 控制器上，其控制器IPMC 通过IPMB 总线收发IPMI 消息，处理对本地板卡的配置管理请求以及将各类事件进行上报[3]。数据采集及独立检测网络Part1 整体由Part2、Part3、Part4 三部分构成。其中Part2、Part3 通过Ethernet interface 接口与Supervisor 数据打包后透明传输。Part3 遵循IPMI 协议的VPX 框架，内部接入多个IPMC 子板进行独立网络数据采集，ChMC 主控NXPK64 与IPMC 子板管理器NXPK10 通过IPMB/A 总线进行数据交互，Part4 根据检测类型由IPMC 子板外接不同的传感器。

图1 IPMI 独立监控平台原理框图

1.1 激励器电源设计

激励器电源主要由电源连接电缆、电源输入插座、空气开关、电源总开关、电源指示灯、电源模块组成。其中电源总开关和电源指示灯安装在激励器机柜正面，其他组成部分安装在机柜内部。电源接入激励器后，打开电源总开关，电源指示灯亮，此时激励器带电，可开机进行功能测试。激励器供电关系连接图如图2 所示。

图2 激励器供电关系连接图

1.2 数据采集模块设计

针对实现相关功能，采用各类传感器及外围电路进行数据采集，如图3 所示。各电路模块介绍如下：

图3 数据采集及IPMC 框图

1.2.1 振动传感器电路

使用MSV3100A 变电容式三轴加速度传感器，该传感器基于MEMS 变电容式加速度检测技术，可响应超低频加速度乃至0 频率加速度。振动传感器得三轴（X,Y,Z）信号，先经射随电路，与2.5V 基准电压差分放大，跟随后送给16 位AD。

1.2.2 冲击传感器电路

使用MSV3100A 变电容式三轴加速度传感器，冲击传感器的三轴信号，先经过射随电路，与2.5V 基准电压差分放大，跟随以后送给独立16 位AD。

1.2.3 应力传感器电路

本系统使用MSSS100 箔式电阻应变计，该传感器是基于受力变形所引起得应变电阻变化。应力传感器的信号，先经过电桥，再通过仪用放大器放大，最后通过跟随电路以后送给独立16 位AD。

1.2.4 纹波信号调理电路

直流电压的信号，先经电容滤掉直流信号，保留交流信号，通过滤波，两向放大电路放大，再送入峰值电压采样电路，最后分压输出送入16 位AD。

1.2.5 AD 采集电路

两路16 位同步采AD 用来采集振动传感器、冲击传感器、应力传感器、纹波数据，风速传感器数据以及VPX 机箱内的-12V 电压，GD32F450（微控制器型号）通过SPI 接口读取AD 数据。

1.2.6 环境气象传感器电路

使用FRT FWS 系列微型气象站，GD32F450 通过RS485 给环境气象传感器发送相应命令，读取传感器数据。

1.2.7 温湿度传感器电路

使用MSH 温湿度传感器，该传感器基于热固性聚合物电容感应元件的多层构造，可抵御大多数的应用危险。GD32F450 通过给MSH 温湿度传感器发送命令，读取传感器数据。

1.2.8 风速传感器电路

使用MFS20 系列风速传感器，该传感器核心敏感件包括敏感芯片和电路调理两个部分。风速传感器信号经过电流转电压后，再通过跟随电路，送入16 位AD7606，GD32F450 通过SPI 接口读取寄存器数据，计算得出风速。

1.2.9 220V 电压、电流、频率采集电路

GD32F450 通过RS485 给电压电流采集模块发送相应命令，读取相应电压、电流、频率数据。

1.2.10 监测电压电路

VPX 机箱内的+12V、+5V、+3.3V 通过分压送到GD320F450的AD，GD320F450 读取寄存器数据。

1.3 监控网络设计

数据采集模块将数据通过协议传输到微控制器，再将定时采集的数据组包，经串口发送给IPMC，MDK64 将数据映射到SDR，IPMC 通过IPMB 总线将数据发送给CHMC，采用SNMP 协议，通过LAN 发给上位机管理软件，如图4 所示。

图4 监控网络组成示意图

其中，微控制器采用兆易GD32F450VGT6，Cortex-M4 内核，运行主频是200M，内部自带16 通道12 位ADC，使用CodeWarrior Development Studio 软件平台，C 语言开发。采集器主要负责将传感器的模拟信号经过调理，滤波放大，再通过ADC 采集并进行处理，内部12 位ADC 采集VPX 电源电压3.3V、12V、+5V，外部有两片AD7606，16 位8 通道同步采ADC，冲击传感器、振动传感器的X、Y、Z 轴加速度信号，风速传感器的数据，三路纹波信号以及三路应力应变以及外部两路27V 和12V 电源电压的采集，通过I2C 采集独立温湿度传感器数据，一路RS485 电路采集环境传感器的数据，一路RS485 采集交流VPX 电源的电压、电流以及频率，数据采集完成以后处理，并且组包发送给IPMC 模块。

IPMC 采用飞思卡尔MK10DX256VLH7，Cortex-M4 内核，256K 内部Flash，64KRAM，运行主频72M，带符合IPMI 总线的I2C 接口，使用CodeWarrior Development Studio 软件平台，C 语言开发。IPMC 作为机箱管理系统的重要组成部分，板卡管理子系统承担机箱内多个不同类型功能模块的IPMI 管理控制任务。为机箱管理提供访问本地FRU 的管理接口。

命令处理模块根据IPMI 协议将解析后的数据处理，包括SDR 和FRU 相关信息的存储读取；处理命令时调用底层硬件访问接口实现上层主控板卡需求数据的采集计算。IPMC 控制器内集成了CONSOLE 命令解释器，可通过串口实现命令行管理。

2 系统测试与验证

本系统通过SNMP 协议，将所有数据信息传递到PC 端，由PC 端可监控CHMC 和IPMC 的数据信息。显示界面可直接查看到传感器实际值是否在要求的阈值范围内，并观察到是否进行动作，以让实际值恢复，实现闭环控制。当电源温度过高时，超过阈值范围，风扇开始运行，根据温度变化，风扇转速可变，实现传感器阈值反馈。在显示界面中，CHMC板卡得到的部分信息如图5 所示，IPMC 板卡得到的部分信息如图6 所示，从显示界面可直观的看到采集信息的结果，以便于数据的实时处理，实现了对系统发生事件的监测，验证了系统的可靠性。

图5 CHMC 板卡得到的部分信息

图6 IPMC 板卡得到的部分信息

3 结论

本文设计并实现了基于以太网IP 地址实现IPMC 和CHMC 信息监控系统。在实现上位机网络显示页面上对系统实现了一种实时管理及上报的方式，IPMC 板级管理软件对于读取的传感器数据设置合理的阈值判断标准，对于不同精度类型的数据，管理软件建立不同的列表用相应的容错值和滞回值配合上下限阈值进行精确地判断，触发事件上发并设计重传机制，以完成传感器数据处理。