CN110245048A - 一种机箱智能管理系统和管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机箱智能管理系统和管理方法，系统包括：MCU芯片、PWRM芯片、三端芯片、N通道晶体管和复位电路，PWRM芯片、三端芯片和复位电路分别与MCU芯片连接，N通道晶体管与PWRM芯片连接；MCU芯片用于系统的控制与处理；PWRM芯片用于监控输入电源的电压和输出电源的电流；三端芯片将5V电压转换为3.3V电压；N通道晶体管完成5V电压的输出控制；复位电路用于提供MCU芯片的上电复位信号。本发明适用于任何机箱，能够实现对设备内部单元板卡运行状态进行检测和控制，此方法经济、方便、高效，特别是对单元板卡工作可靠性有较高要求的设备中有广泛的应用前景。

Description

一种机箱智能管理系统和管理方法
技术领域
本发明涉及机箱管理技术领域，更具体的说是涉及一种机箱智能管理系统和管理方法。
背景技术
传统的IPMI技术是管理基于Intel结构的企业系统中所使用的外围设备，主要在以CPCI、ATCA、VPX等总线为标准的机箱设备里运行，但是在没有采用这些标准总线的机箱里，因为无法做到在硬件、操作系统和管理工具等方面的满足，很难实现对设备单元板卡运行状态控制和监视的智能管理，同时，标准的IPMI技术交互信息也较为复杂，不方便使用。
因此，如何提供一种适用于任何机箱的智能管理系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种机箱智能管理系统和管理方法，适用于任何机箱，能够实现对设备内部单元板卡运行状态进行检测和控制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种机箱智能管理系统，包括：MCU芯片、PWRM芯片、三端芯片、N通道晶体管和复位电路，所述PWRM芯片、所述三端芯片和所述复位电路分别与所述MCU芯片连接，所述N通道晶体管与所述PWRM芯片连接；
所述MCU芯片用于系统的控制与处理；
所述PWRM芯片用于监控输入电源的电压和输出电源的电流；
所述三端芯片将5V电压转换为3.3V电压；
所述N通道晶体管完成所述5V电压的输出控制；
所述复位电路用于提供所述MCU芯片的上电复位信号。
进一步，还包括晶振电路，所述晶振电路与所述MCU芯片连接。
进一步，所述MCU芯片的I2C1总线与主控板CPU连接，I2C2总线与所述PWRM芯片连接，UART1接口完成调试维护功能，UART2接口与单元板CPU连接，I/O端口实现槽位号识别。
进一步，所述PWRM芯片的栅极输出引脚与所述N通道晶体管的栅极连接。
进一步，所述N通道晶体管串联有电阻R32。
进一步，所述电阻R32型号为复位12MR002J，功率为1w，阻值为2mΩ。
进一步，所述I/O端口为GPIO0～GPIO3。
进一步，所述MCU芯片采用STM32系列芯片。
一种机箱智能管理方法，包括以下步骤：
步骤一：在机箱各板卡上安装机箱智能管理系统；
步骤二：根据GPIO0～GPIO3的电平状态进行主控板和单元板识别；
步骤三：通过I2C2总线收集运行状态；
步骤四：通过I2C1总线获取单元板运行状态信息，并将所述单元板运行状态信息通过UART2接口以上行方式发送给主控板CPU；
步骤五：所述主控板CPU进行信息分析，并通过UART2接口以下行方式向所述机箱智能管理系统发送所述单元板的控制指令，所述机箱智能管理系统通过I2C1总线向所述单元板发送复位或掉电保护指令；
步骤六：所述单元板响应所述主控板的所述控制指令，通过I2C2总线完成单元板的复位重启或掉电保护。
进一步，所述运行状态信息包括电压信息、电流信息和温度信息。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种机箱智能管理系统和管理方法，在任何机箱总线架构下，都能进行机箱的单元板智能管理，此方法经济、方便、高效，特别是对单元板卡工作可靠性有较高要求的设备中有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种机箱智能管理系统原理框图。
图2附图为本发明提供的MCU芯片具体电路图。
图3附图为本发明提供的PWRM芯片、三端芯片、N通道晶体管芯片和复位电路具体连接电路图。
图4附图为本发明提供的I2C1通信内部功能寄存器。
图5附图为本发明提供的UART1和UART2接口消息传输格式。
图6附图为本发明提供的UART2接口消息处理流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种机箱智能管理系统，主要对设备内部单元板卡的状态进行检测与控制，包括：槽位识别(在线检测)，电压(过/欠压保护)，电流(过流保护)，温度(过热保护)，智能开关电。
包括：MCU芯片、PWRM(电源管理)芯片、三端芯片、N通道晶体管(金属-氧化物半导体场效应晶体管)、复位电路和晶振电路，PWRM芯片、三端芯片、复位电路和晶振电路分别与MCU芯片连接，N通道晶体管与PWRM芯片连接；可选，如果使用内部时钟振荡器可以不焊接CY晶振电路。
MCU芯片用于系统的控制与处理；
PWRM芯片用于监控输入电源的电压和输出电源的电流；
三端芯片将5V电压转换为3.3V电压；
N通道晶体管完成5V电压的输出控制；
复位电路用于提供MCU芯片的上电复位信号。
电路连接关系具体为：MCU芯片的I2C1总线与主控板CPU连接，I2C2总线与PWRM芯片连接，UART1接口完成调试维护功能，UART2接口与单元板CPU连接，I/O端口实现槽位号识别，其中I/O端口为GPIO0～GPIO3，通过4根状态线，最多可以实现16种高低电平的组合，将每一个状态可定义为一种槽位号，机箱管理模块根据板卡的槽位号进行主控板与单元板识别，例如GPIO0-3电平状态是0001为主控板的槽位号，其余为单元板的槽位号，机箱管理模块根据0001槽位号给模块加载主控程序，其余则加载单元程序。
PWRM芯片的栅极输出引脚与N通道晶体管芯片的栅极连接。
N通道晶体管串联有电阻R32。为了保证检测电压、电流的精确度，要求串接的阻值R32尽可能小，功率尽可能大，因此，本发明选用的型号为复位12MR002J，功率为1w，阻值只有2mΩ。
MCU芯片采用STM32系列芯片，功耗低，模块尺寸小。
更进一步，如图2和图3所示，MCU芯片采用STM32F103RET7，STM32F103RET7的PB6管脚和PB7管脚与主控板CPU的I2C总线连接，PA2管脚和PA3管脚与单元板CPU连接，完成UART串口通信，PA9管脚和PA10管脚完成调试维护功能，三端芯片采用SPX1117M3-L-3.3，复位电路采用RC电路，包含一个10kΩ的电阻和一个10μF的电容。
PWRM芯片采用ADM1276-3ACPZ，ADM1276-3ACPZ的SCL管脚和SDA管脚分别对应连接STM32F103RET7的PB10管脚和PB11管脚。
N通道晶体管的栅极与ADM1276-3ACPZ的GATE(栅极输出引脚)相连。
机箱管理模块作为标准模块安装在每个单元板卡上，通过I2C总线在背板上实现互连，可以完成以下功能：
输入电压检测：对外部输入单元板的电源(+5V)进行电压检测；
输出电流检测：对输出到外部的电源负载进行电流检测；
温度检测：通过温度传感器进行环境温度检测；
槽位识别：通过GPIO总线检测槽位ID号；
背板总线通信：通过I2C1接口实现背板总线互连，可编程为主模式或从模式；
异步串口通信：通过UART2接口实现与单元板CPU的串口通信；
调试维护：支持UART1接口输入输出的调试维护功能和程序升级。
从应用方式上可以分为主控模块和单元模块两类，采用自动方式识别，通过读取单元板卡槽位ID号后自动调用配置为主控功能或单元功能。这样设计的好处主要是体现灵活性，主控板和单元板的机箱管理模块可以混用，不必区分，程序维护方便。
主控模块有2个通信接口：
UART接口，对上通过UART2接口与主控CPU通信，属于点对点通信。
I2C接口，对下通过I2C1接口与各单元的机箱管理模块通信，属于点对多点通信，需要进行I2C地址识别。
在主控板上，最终处理单元是主控板CPU，机箱智能管理模块只是完成信息转发，处理流程上分为2个方向：
上行处理：机箱管理模块通过I2C1接口获取单元板信息后，再通过UART2接口汇报至主控板CPU；
下行处理：主控板CPU通过UART接口将控制信息发给机箱管理模块后，再通过I2C1接口发送至目标单元板。
与主控模块一样，单元模块也有I2C和UART接口两个通信接口，使用方法也相同。不同的是单元模块只将槽位ID号通过UART2接口传输给单元CPU，没有单元CPU的单元板就没有UART接口通信，所有机箱管理部分的信息处理都在机箱管理模块这里终结。
单元模块需要处理主控的电源关闭和开启控制信息，关于电源的开启和关闭在不同的工作过程有2种处理方式：
设备正常工作过程中的电源控制，设备正常启动工作后，可通过配置管理界面指定对某个单元进行电源关闭，需要时再对其开启。
在单元板卡出现异常情况时，如过压、欠压、过流或者温度过高时，主控单元自动发送“复位”或“关闭”指令，复位或关闭出现异常情况的单元板卡电源。
一种机箱智能管理方法完整步骤如下：
1)在机箱各板卡上安装机箱智能管理模块；
2)各板卡通过电阻上拉或者下拉，控制机箱智能管理模块的GPIO0-3的电平状态，通过4根状态线，最多可以实现16种高低电平的组合，将每一个状态可定义为一种槽位号，机箱管理模块根据板卡的槽位号进行主控板与单元板识别；
3)约定GPIO0-3电平状态是0001为主控板的槽位号，其余为单元板的槽位号，机箱管理模块根据0001槽位号给模块加载主控程序，其余则加载单元程序；
4)加载单元程序的模块采用I2C通信方式主动向主控板发送单元板卡运行状态信息，含检测到的输入电压、电流、温度、过热等信息；
5)主控板模块将I2C1总线上收到的信息通过与主控CPU的UART2接口以上行方式发送给主控板的CPU进行信息分析；
6)根据信息的分析结果，当主控CPU分析到输入电压为欠压/过压、或电流为过流、或温度过热时，主控单元CPU通过UART2接口以下行方式向主控单元机箱管理模块发送单元板卡的控制指令，机箱管理模块再通过I2C1总线向单元板卡上的模块发送这些复位或掉电保护指令；
7)单元板卡上的模块响应主控板的控制指令，完成对单元板卡的复位重启或掉电保护操作。
上述方法流程各步骤中使用到了I2C通信和UART串口通信。
(一)I2C通信
自检完成后，程序进入I2C通信过程，通过I2C1总线与主控进行在线注册握手。如果超时未收到主控消息，则通信失败，否则通信成功，最后通过UART1打印输出通信结果。I2C通信成功后，将自检结果汇报至主控。
I2C通信采用一主多从的方式，主控板的I2C配置为主模式，单元板的I2C配置为从模式。主控板与单元板之间的通信方式就是主控板通过I2C接口访问单元板内部寄存器的方式，如图4所示，而且每个单元板的内部寄存器地址和功能完全相同，通过PHY地址进行区别。
单元板I2C接口的内部寄存器分为地址寄存器和功能寄存器。
1)地址寄存器
地址寄存器用于存储I2C接口芯片寻址的地址，PHY地址通过槽位ID进行唯一识别，所以单元板开机启动后，MCU读取到槽位ID后需要写入到地址寄存器中。
寄存器默认的地址为全1或全0，所以，建议不要使用全1和全0作为I2C的通信地址。
地址寄存器作为单元板响应主控的I2C轮询，当主控轮询到每个单元板时，如果单元板没有响应该地址，说明该单元板离线(掉线，故障或不插板)；如果单元板响应该地址，则进行下一步的读写功能寄存器操作。
2)功能寄存器
功能寄存器用于存储单元板的状态消息和控制消息
功能寄存器分为状态寄存器和控制寄存器。
状态寄存器用于存储是单元板的状态信息，由单元板写入，主控板读出。
控制寄存器用于存储是单元板的控制信息，由主控板写入，单元板读出。
A)状态寄存器
i.单元板在线通告寄存器
单元板在线通告寄存器用于实时通告单元板的在线信息，便于主控进行在线查询。单元板周期性定时(间隔小于1S)往该寄存器写入固定值0xA5，主控板周期性定时(间隔为1S)从该寄存器读出数据，若数据值为0xA5则判断为单元板在线，否则认为离线(掉板)。
ii.槽位ID寄存器
槽位ID寄存器用于存储单元板的槽位ID号，单元板在初始化的时候写入一次即可，主控板在识别到单元板在线后再读出该寄存器。
该寄存器的高4位D7-D4＝0000，低4位D3-D0＝ID[3:0]，默认值为0xFF。
Iii.电压信息寄存器
电压信息寄存器用于存储单元板检测到的电压信息，格式为“告警信息+电压值”，采用2字节封装，其中高字节高4比特是“告警信息”，低4比特是“电压整数位”；低字节高4比特是“电压小数十分位”，低4比特是“电压小数百分位”。电压值的整数位和小数十分位及百分位都采用BCD码，取值范围是0～9。如下表所示。
表1电压信息封装格式
例如电压为5.12V的封装值为0x0512，4.60V的封装值为0x1460，5.75V的封装值为0x2575。
可见电压值的精度是2位小数点，精确到百分位。
iv.电流信息寄存器
电流信息寄存器用于存储单元板检测到的电流信息，格式为“告警信息+电流值”，采用2字节封装，其中高字节高4比特是“告警信息”，低4比特是“电流整数位”；低字节高4比特是“电流小数十分位”，低4比特是“电流小数百分位”。电流值的整数位和小数十分位及百分位都采用BCD码，取值范围是0～9。如下表所示。
表2电流信息封装格式
例如电流为1.12A的封装值为0x0112，2.60A的封装值为0x1260。
可见电流值的精度是2位小数点，精确到百分位。
v.温度信息寄存器
温度信息寄存器用于存储单元板检测到的温度信息，格式为“告警信息+符号位+温度值”，采用2字节封装，其中高字节高4比特是“告警信息”，低4比特是“符号位”；低字节高4比特是“温度十位数”，低4比特是“温度个位数”。温度值的十位和个位都采用BCD码，取值范围是0～9。如下表所示。
表3温度信息封装格式
例如温度为56℃的封装值为0x0056，86℃的封装值为0x1086，-35℃的封装值为0x0135。
可见温度值的精度是整数，不需要精确到小数。
b)控制寄存器
i.主控板在线通告寄存器
主控板在线通告寄存器用于实时通告主控板的在线信息，便于单元板进行在线查询。主控板周期性定时(间隔小于1S)往该寄存器写入固定值0xA5，单元板周期性定时(间隔为1S)从该寄存器读出数据，若数据值为0xA5则判断为主控板在线，否则认为离线(掉板)。
ii.单元板电源控制寄存器
单元板电源控制寄存器用于存储单元板的电源开启或关闭控制信息，主控板写入，单元板读出。电源关闭的控制字为0x00，电源开启的控制字为0x01。默认值为0x00(关闭电源)。
一般来说，单元板的电源开启或关闭是从人机界面输入的，当不需要某个单元工作时，为了降低功耗，可关闭该单元电源。
iii.单元板复位寄存器
单元板复位寄存器用于存储单元板的复位控制信息，主控板写入，单元板读出。硬件复位的控制字为0x80，软件复位的控制字为0x81。默认值为0x00(无操作)。
为了确保通信的可靠性，单元板读完该寄存器后，需要对其清零。如果主控板没有再次写入数据，则再次读出的数据将是0x00，可认为主控板没有新命令下发，单元板继续保持原工作状态，不进行任何复位操作。
一般来说，单元板的复位是从人机界面输入的。硬件复位是MCU给整个单元板复位(可以采用断电再加电的方式实现)，软件复位是单元CPU通过看门狗的自启动复位。
(二)UART串口通信
自检完成后，程序进入UART通信过程，UART通信消息格式与流程分别如图5和图6所示。通过UART2接口与单元CPU进行在线握手。如果超时未收到单元CPU消息，则通信失败，否则通信成功，最后通过UART1打印输出通信结果。
UART通信成功后，将自检结果汇报至单元CPU。
主控板与单元板处理的区别是：
对于上行信息，主控板MCU需要将本板及所有单元板的基本信息都汇报给CPU，而单元板MCU只需要将本板的基本信息汇报给CPU。
对于下行信息，主控板MCU需要接收并识别CPU下发的不同单元板的命令，而单元板MCU不需要识别。
消息传输格式
UART接口的消息传输格式采用基于异步串口通信的SLIP协议。
主控板CPU可以查询所有单元板的信息，通过槽位号进行识别。单元板CPU只查询本单元的信息，通过“单元槽位”字段获取本单元所在的槽位号。
消息处理流程
每一条命令都需要进行应答确认，只有等到应答后才发送下一条命令，超时未收到应答则认为通信故障。超时时间设置为5秒。
本发明的有益技术效果是：
1)能够在任何一种总线架构下的机箱内实现；
2)单独使用MCU操作系统，不占用主机系统，节省资源；
3)MCU采用STM32系列，功耗低，模块尺寸小；
4)板卡的运行状态信息交互简单而可靠，能极快显示各种运行状态及响应控制指令，保证设备稳定安全；
5)主控模块与单元模块的应用程序根据槽位号自动加载，灵活方便，维护性好；
6)管理方法经济、方便、高效，特别是对单元板卡工作可靠性有较高要求的设备中有广泛的应用前景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种机箱智能管理系统，其特征在于，包括：MCU芯片、PWRM芯片、三端芯片、N通道晶体管和复位电路，所述PWRM芯片、所述三端芯片和所述复位电路分别与所述MCU芯片连接，所述N通道晶体管与所述PWRM芯片连接；
所述MCU芯片用于系统的控制与处理；
所述PWRM芯片用于监控输入电源的电压和输出电源的电流；
所述三端芯片将5V电压转换为3.3V电压；
所述N通道晶体管完成所述5V电压的输出控制；
所述复位电路用于提供所述MCU芯片的上电复位信号。
2.根据权利要求1所述的一种机箱智能管理系统，其特征在于，还包括晶振电路，所述晶振电路与所述MCU芯片连接。
3.根据权利要求1所述的一种机箱智能管理系统，其特征在于，所述MCU芯片的I2C1总线与主控板CPU连接，I2C2总线与所述PWRM芯片连接，UART1接口与用户计算机串口连接完成调试维护功能，UART2接口与单元板CPU连接，I/O端口实现槽位号识别。
4.根据权利要求1所述的一种机箱智能管理系统，其特征在于，所述PWRM芯片的栅极输出引脚与所述N通道晶体管的栅极连接。
5.根据权利要求1所述的一种机箱智能管理系统，其特征在于，所述N通道晶体管串联有电阻R32。
6.根据权利要求5所述的一种机箱智能管理系统，其特征在于，所述电阻R32的型号为复位12MR002J，功率为1w，阻值为2mΩ。
7.根据权利要求3所述的一种机箱智能管理系统，其特征在于，所述I/O端口包括GPIO0～GPIO3四个端口。
8.根据权利要求1所述的一种机箱智能管理系统，其特征在于，所述MCU芯片采用STM32系列芯片。
9.一种机箱智能管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在机箱各板卡上安装机箱智能管理系统；
步骤二：根据GPIO0～GPIO3的电平状态进行主控板和单元板识别；
步骤三：通过I2C2总线收集运行状态；
步骤四：通过I2C1总线获取单元板运行状态信息，并将所述单元板运行状态信息通过UART2接口以上行方式发送给主控板CPU；
步骤五：所述主控板CPU进行信息分析，并通过UART2接口以下行方式向所述机箱智能管理系统发送所述单元板的控制指令，所述机箱智能管理系统通过I2C1总线向所述单元板发送复位或掉电保护指令；
步骤六：所述单元板响应所述主控板的所述控制指令，通过I2C2总线完成单元板的复位重启或掉电保护。
10.根据权利要求9所述的一种机箱智能管理方法，其特征在于，所述运行状态信息包括电压信息、电流信息和温度信息。
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