基于ARM7無線傳輸的熱電偶遠程監(jiān)控系統(tǒng)

引言
    目前，很多功能強大的嵌入式處理器都基于ARM內核構建。這樣的配置系統(tǒng)性價比高，可擴展性能強。
    工業(yè)檢測系統(tǒng)應用中，作為一種主要的測溫元件，熱電偶具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點，可以廣泛應用于工業(yè)溫度控制過程中。但是熱電偶輸出電勢極其微弱，而且存在冷端溫度誤差和輸出電勢與被測溫度的非線性問題，易引起較大測量誤差，需要極其復雜的信號處理電路。MAX6675是Maxim公司推出的K型熱電偶串行模數轉換器，該型號芯片能夠獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、A／D轉換及SPI串口數字化輸出功能，能夠簡化熱電偶測量智能裝置的軟硬件模塊的設計。
    移動檢測終端可以快速投入現場，系統(tǒng)調試周期短。隨著無線3G業(yè)務的普及，各種基于無線通信的傳輸成本快速下降，無線、移動、遠程測溫控制系統(tǒng)將更加普及。國內外基于無線通信的相關研究也開始變得很熱門，有相關產品投入市場。本文根據溫度監(jiān)控領域的發(fā)展趨勢，開發(fā)一套基于ARM7處理器和GPRS無線傳輸模塊的嵌入式無線熱電偶測溫控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的構成和工作原理
    溫度遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)以應用為中心，由SPI接口連接MAX6675采集溫度數據，通過串口發(fā)送到華為GTM900A無線傳輸模塊。由于GPRS網絡(2．5G移動通信技術)支持TCP／IP協(xié)議，這使得無線數據傳輸變得更加輕松，而且相對價格比短消息等要便宜許多。為了能夠遠程設置參數，系統(tǒng)支持通過短信的方式設置相關核心參數。終端設備系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

    本系統(tǒng)的終端設備采用模塊化的結構設計思想，將終端設備分為主控模塊和各個功能模塊。主控模塊和各功能模塊之間有統(tǒng)一的或者特定的接口形式，用戶可根據實際情況選用不同的功能模塊。各種類型的數據可以在系統(tǒng)中同時傳輸而不相互干擾，同時也可根據市場變換的需求繼續(xù)擴展其他功能模塊。
    溫度遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)的幾個主要模塊功能如下：
    ①傳感器數據處理模塊。根據實際需要，采集熱電偶溫度傳感器數據。當采集到的數據值高于或者低于報警值時，啟動自動報警模塊，提醒巡查人員注意。
    ②LCD顯示模塊。顯示檢測到的溫度數據及相關的系統(tǒng)核心參數，以便相關工作人員觀測數據。
    ③自動報警模塊。在系統(tǒng)檢查到有效報警信息后，該模塊馬上使嵌入式設備上的蜂鳴器發(fā)出警報聲，與此同時發(fā)送報警信息。該信息通過GPRS網絡及時傳回遠端的監(jiān)控管理中心，以便工作人員及時發(fā)現并采取相應的處理措施。
    ④參數配置模塊。系統(tǒng)的核心參數配置通過I2C總線保存在Atmel AT24C01芯片里，系統(tǒng)啟動時讀取相關參數。參數的設置可以通過多種方式(串口、短信和網絡)實現。
    ⑤ARM7核心控制模塊。采用低功耗、高性能嵌入式SoC芯片Samsung S3C4480X以及8MB RAM和2 MBFlash ROM。
    ⑥熱電偶溫度采集處理模塊。通用I／O口用軟件來模擬SPI操作，實現ARM7與MAX6675的通信。
    ⑦GPRS無線數據傳輸模塊?？紤]到系統(tǒng)的實際需求，采用華為GTM900A模塊。該模塊支持AT指令，模塊的控制、數據的傳輸可以通過AT指令發(fā)送或者讀取該設備的串口。
    ⑧遠程監(jiān)控軟件模塊。遠程監(jiān)控軟件采集端和控制端。采集端需要連接到Internet上，有固定的IP地址，負責遠程終端數據的接收和發(fā)送?？刂贫擞刹僮魅藛T使用，在界面上顯示各個終端的運行情況、當前的實時溫度數據，操作人員的指令通過控制端下發(fā)到采集端，最后通過采集端發(fā)送到各個對應的終端。

2 系統(tǒng)的軟件設計流程
    系統(tǒng)啟動時，為支持通過串口設置相關參數，按照順序提示用戶輸入相關配置參數。如果用戶超過了一定的時間不操作，系統(tǒng)就進入初始化模塊，啟動GPRS模塊，對短信命令進行處理(初始化自有點到點協(xié)議模塊)。主應用程序的流程如圖2所示。

    系統(tǒng)運行中，TimerO的中斷處理程序處理自有的點到點協(xié)議，包括處理“登陸”、“心跳”和“退出”命令。在系統(tǒng)的發(fā)送數據緩沖隊列中讀取數據，將數據打包成“數據”命令，通過串口發(fā)送到GPRS模塊。如果GPRS模塊有數據，再在串口中讀出遠程監(jiān)控中心發(fā)送過來自有協(xié)議的各種命令，只將“數據”命令解析后存入接收數據緩沖隊列中，其他協(xié)議維持命令由相應的子程序進行處理。
    主應用程序通過少數幾個系統(tǒng)狀態(tài)全局變量、發(fā)送數據緩沖隊列和接收數據緩沖隊列與數據通信模塊進行交互，也就是與TimerO的中斷處理程序進行交互。主應用程序不需要了解自有點到點協(xié)議的編解碼過程以及數據鏈路的維護工作，使模塊直接的耦合度降低。主應用程序通過SPI總線實時地讀取MAX6675采集到的熱電偶溫度數據，實時檢查GPRS模塊狀態(tài)(如果GPRS模塊錯誤超過規(guī)定次數，重新啟動GPRS模塊)，實時地將報警數據存入發(fā)送數據緩沖隊列中并同時啟動報警模塊，實時地處理接收數據緩沖隊列中的數據，實時處理GPRS模塊短信命令數據，實時顯示系統(tǒng)采集的溫度數據和狀態(tài)信息，定時地將采集到的數據存入發(fā)送數據緩沖隊列中。

3 MAX6675與S3C4480X的接口實現
    MAX6675芯片內部集成了冷端補償電路。該芯片有簡單的3位串行SPI接口，可將溫度信號轉換成12位的數字量，溫度分辨率達O．25℃。芯片內部含有熱電偶斷線檢測電路。其冷端補償溫度范圍為-20～80℃，應用的環(huán)境溫度范圍比較寬，可以測量0～1 023．75℃的被測溫度，基本符合工業(yè)溫度測量的實際需要。當MAX6675的CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片將停止任何信號轉換并在時鐘SCK的作用下通過S0引腳向外輸出已轉化的數據，此數據是經過放大了的A／D轉換后的數字量與冷端補償之和；相反，當芯片的CS引腳從低電平變回高電平時，MAX-6675芯片將進行新的溫度數字化工作。CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，第1個字節(jié)D15出現在引腳SO上。該系列芯片的1個完整的數據讀過程需要16個時鐘周期，數據的讀取通常在SCK的下降沿完成。需要指出的是，此芯片的A／D轉換耗時在O．17～0．22 s之間，比一般的A／D轉換芯片μs級的轉換時間要長許多，相應的溫度轉換模塊需要進行相應的優(yōu)化設計，不能占用太多CPU資源。
    MAlX6675采用標準的SPI串行外設總線與ARM7進行對接，因此該芯片只能作為從設備(即串行接口芯片)。SPI(SeriaI Peripheral Int-erface)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，是Motorola公司推出的總線標準，它可以使ARM7單片機與各種外圍設備以串行方式進行通信。由于S3C44BOX單片機不具有SPI串行總線接口，在芯片對接時可以使用通用I／O口，用軟件來模擬SPI操作，包括串行時鐘、數據輸入／輸出。

4 GPRS無線數據傳輸模塊
    溫度采集處理模塊采集到的數據通過SPI總線傳送到處理器，經過串口AT指令傳輸到GPRS模塊，然后由GPRS模塊通過GPRS網絡和Internet網絡將數據傳送到遠端接在互聯(lián)網上的控制中心主機，在控制中心的網絡上可以通過組態(tài)軟件建立小型集散控制系統(tǒng)。至于組態(tài)軟件的選擇，可以根據需要選用商業(yè)組態(tài)軟件，或者像筆者碩士畢業(yè)論文所做的小型集散控制系統(tǒng)控制軟件。
    有關利用AT命令操作GPRS模塊在相關文獻中已有描述，這里以華為GTM900A模塊為例說明相關操作。表1描述了華為GPRS模塊AT指令基本功能指令集，通過對這些指令的運用就可以進行GPRS模塊的初始化、打開鏈路、發(fā)送數據、接收數據、關閉鏈路等一些常用的操作。
    基于ARM系列的32位單片機RAM資源比較豐富，利用C、C++等高級語言就能夠編寫應用軟件。在這里選用C語言開發(fā)GPRS模塊功能程序。利用ARM7S3C4480X芯片上提供的16字節(jié)的FIFO串口，向串口傳送AT命令對GPRS模塊進行操作。下面是一段用C語言編寫的打開TCP連接的模塊程序：[!--empirenews.page--]


    GPRS模塊是具有登陸GPRS網絡功能的芯片加上相應的協(xié)助處理數字電路，在模塊內部裝上開通GPRS功能的移動電話卡，通過串行協(xié)議與ARM7處理器進行通信。將數據以數據包的形式，先通過PPP和運營商的Internet接入服務器連接，然后把數據包發(fā)送到Internet上，最后到達控制中心主機。數據的發(fā)送和接收遵循自有的點到點傳輸協(xié)議，保證數據安全、可靠的發(fā)送和接收。
    GPRS無線數據傳輸模塊軟件結構設計總體可分為4個部分：
    ①參數配置部分。投入安裝前，通過串口將系統(tǒng)與PC機連接起來，在PC機上的超級終端設置遠程監(jiān)控中心主機IP地址、端口、設備ID以及心跳時間等參數，在系統(tǒng)運行中也可以通過串口、GPRS或者短信命令來設置系統(tǒng)相關參數。
    ②連接遠程監(jiān)控中心主機。在這一部分，系統(tǒng)將發(fā)起1個TCP或UDP連接到遠程監(jiān)控中心。本系統(tǒng)選用基于TCP的自有點到點協(xié)議處理通信。
    ③自有協(xié)議處理。這個協(xié)議包括“登陸”、“數據”、“心跳”、“退出”及應答命令。“登陸”、“心跳”、“退出”命令及應答命令是協(xié)議的狀態(tài)維持部分，系統(tǒng)與監(jiān)控中心主機的雙向溝通通過“數據”命令傳遞?；贏RM7處理器的內存配置可以達到8 MB，因此在軟件設計中可以維護好基于TCP的點到點自有協(xié)議，使數據的傳輸更安全，確保關鍵數據不丟失。
    ④數據傳輸。處理器首先判斷接收的數據是溫度數據還是報警信號：如果是報警數據，則立刻停止其他數據的傳輸，將報警數據迅速發(fā)送出去；如果是溫度數據，則按照一定的間隔傳回監(jiān)控中心。系統(tǒng)還通過GPRS模塊讀出從控制中心傳來的各種命令，進行相應的處理。

5 遠程監(jiān)控軟件模塊
    監(jiān)控端位于監(jiān)控管理中心，分為數據采集端和控制端兩部分。數據采集端使用高性能PC機或者商業(yè)服務器，運行Windows XP／2000／2003Server系統(tǒng)或者Linux系統(tǒng)。在這里采用Delphi7語言編寫基于CLX組件的數據采集系統(tǒng)，基于CLX組件的軟件可以方便地移植到Linux系統(tǒng)中。數據采集系統(tǒng)將采集到數據存儲在Oracle 9i數據庫中，以便日后查詢和制作報表。同時將數據通過TCP協(xié)議實時發(fā)送到各個控制端。
    控制端模塊采用筆者自己用Delphi7語言編寫的組態(tài)軟件。通過相關接口，組態(tài)軟件與數據采集端進行數據交換。工作人員通過控制端查看系統(tǒng)中多個終端的溫度采集數據和系統(tǒng)狀態(tài)，也可以根據實際情況發(fā)送相關的命令到數據采集端，最后到達溫度檢測終端執(zhí)行?？刂贫吮O(jiān)控主界面運行圖如圖3所示。

結語
    基于ARM7處理器的嵌入式溫度遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)，通過SPI接口連接MAX6675，不斷地采集現場的監(jiān)控溫度，并通過自有點到點協(xié)議基于GPRS網絡發(fā)送數據給遠端的監(jiān)控管理中心。在溫度數據超過或者低于臨界值時，及時發(fā)出報警，并將報警信號傳回監(jiān)控中心，實現了溫度的無線遠程監(jiān)控，推進了工業(yè)溫度監(jiān)控的無線化、智能化，極大地減少了現場的硬件布線時間，同時也可作為移動在線檢測終端使用。