基于ARM和GPRS的遠程監(jiān)測終端設(shè)計

摘要：針對分布比較分散，場所不固定，或是環(huán)境比較惡劣的監(jiān)測現(xiàn)場，提出了一種通用的遠程監(jiān)測終端的設(shè)計方法。終端具有模塊化的數(shù)據(jù)采集功能，并采用ARM9處理器和Linux操作系統(tǒng)，用Qt／Embedded編寫終端應(yīng)用程序，使其具有良好的人機交互界面，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，采用GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù))無線通信技術(shù)將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)測中心，存入數(shù)據(jù)庫。實際實驗證明，該終端數(shù)據(jù)處理速度快，精度高，實時性好，可以滿足一般監(jiān)測現(xiàn)場的要求。
關(guān)鍵詞：遠程監(jiān)測；ARM9；GPRS；嵌入式Linux；Qt／Embedded

    隨著現(xiàn)代生產(chǎn)科技水平的發(fā)展，對監(jiān)測技術(shù)的要求越來越高，形式趨于多樣化。在無人值守的變電站、水文站、氣象站等野外監(jiān)測或是在交通運輸?shù)刃袠I(yè)中，因分布比較分散、環(huán)境惡劣，地點不固定，不便于用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)集中控制和實時監(jiān)測并且有線網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)受到種種限制。在這些場合采用基于GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有無可比擬的優(yōu)勢。將嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)與無線通信技術(shù)結(jié)合在一起是未來嵌入式應(yīng)用的必然趨勢。GPRS(General Packet Radio Service)，即通用無線分組業(yè)務(wù)。
    GPRS技術(shù)應(yīng)用于遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，具有以下幾個特點：1)永遠在線，接入速度快。分組交換接入時間少于1秒，可使遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蚀蟠筇岣撸?)采用數(shù)據(jù)流量的計費方式，大大降低了用戶的使用費用；3)GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，且支持TCP／IP協(xié)議，從而可實現(xiàn)與Intern et的無縫連接。

1 終端的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    終端要完成3個任務(wù)，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的無線傳輸。數(shù)據(jù)采集部分采用模塊化設(shè)計思想將采集模塊分為模擬量采集模塊，數(shù)字量采集模塊，開關(guān)量采集模塊等，每個模塊獨立的實現(xiàn)對特定采集信號的整流、調(diào)理、隔離等處理再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，各模塊采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，選用相同的單片機處理器。各模塊采集的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的SPI(serialperipleral interface)總線傳輸給ARM處理器。這樣的結(jié)構(gòu)使終端使用更靈活，應(yīng)用范圍更廣泛。數(shù)據(jù)處理部分采用ARM處理器對所采集的數(shù)據(jù)的類型、長度、有效范圍等進行處理，并通過液晶屏加觸摸屏完成人機交互功能。然后將處理好的數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機。終端的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 終端硬件設(shè)計
    終端硬件主要由3部分組成。一是作為主處理器的ARM9處理器及其外圍電路包括電源電路、復(fù)位電路、外擴存儲器電路及用于人機互動的液晶屏、觸摸屏連接電路等。二是各個模塊的數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計，這里主要設(shè)計的是模擬量采集模塊，以及各個數(shù)據(jù)采集模塊與主處理器之間SPI連接方式。三是GPRS模塊外圍電路以及與主處理器的連接。端硬件設(shè)計示意圖如圖2所示。

2．1 終端主處理器
    主處理器是系統(tǒng)的核心，要完成數(shù)據(jù)處理，存儲，傳輸，人機界面顯示等功能。結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場的需求終端處理器采用以ARM9為內(nèi)核的三星S3C2440處理器，它是一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RSIC結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器，主頻400 MHz，最高可達533 MHz，具有2片外接32 M的板載SDRAM，片內(nèi)外資源豐富，擴展性強。系統(tǒng)存儲擴展了2 MB的NorFlash用于存放bootloader系統(tǒng)引導(dǎo)程序，和64 MB的NandFlash。系統(tǒng)的人機交互平臺采用一個7寸液晶顯示頻和一個觸摸屏來完成。
2．2 數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計
    數(shù)據(jù)采集模塊可分為模擬量采集模塊，數(shù)字量采集模塊，開關(guān)量采集模塊等，主要完成對底層數(shù)據(jù)的采集，這些模塊的單片機處理器統(tǒng)一采用Cygnal公司的C8051F021單片機，它的MCU是高度集成的片上系統(tǒng)。在一個芯片內(nèi)集成了兩個多通道ADC子系統(tǒng)、電壓基準、SPI總線接口、8個8位的通用數(shù)字I／O端口和64 kBFLASH程序存儲器及與8051兼容的高速微控制器內(nèi)核等，這些很好的滿足了模塊的設(shè)計要求。由于模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)上的相似性，這里主要介紹模擬量采集模塊部分。
    工業(yè)現(xiàn)場采集的信號大部分是模擬量，如壓力、溫度、液位、流量等信號。這些信號經(jīng)過現(xiàn)場儀表測量后一般統(tǒng)一輸出為4～20 mA，0～5 V，0～10 V范圍的電流電壓信號。通過模擬量采集模塊將這些模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。單片機的A／D準換的電壓基準定為2．5 V，要將4～20 mA，0～5 V，0～10 V范圍的電流電壓信號統(tǒng)一為0～2．5 V以內(nèi)的電壓信號，才能進入單片機完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。對于電流信號，在輸入端接一個250 Ω的精密便轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓信號了，對于電壓信號通過運算放大器按比例縮放到0～2．5 V范圍內(nèi)即可。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

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    各個數(shù)據(jù)采集模塊與主處理器通過SPI總線進行通信。SPI總線是Motorola公司提出的一種高速全雙工串行通信總線，它容許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進行通信。SPI接口只有MISO(主入從出)、MOSI(主出從人)、SCLK(時鐘)和CS(片選)4個信號組成，在芯片上只占用4條線，大大節(jié)省了芯片資源。主處理器與各采集模塊的SPI通信方式為一主多從的方式，即ARM主處理器的作為主設(shè)備，各數(shù)據(jù)采集模塊作為從設(shè)備，主設(shè)備驅(qū)動串行時鐘發(fā)起通信。主設(shè)備使用片選信號CS指明與哪個模塊采集模塊傳送數(shù)據(jù)。通信時，主設(shè)備的MISO為輸入，MOSI為輸出，從設(shè)備的MISO為輸出，MOSI為輸入，在主設(shè)備時鐘的控制下，主設(shè)備與從設(shè)備的雙向移位寄存器同時進行數(shù)據(jù)交換，完成一次數(shù)據(jù)的傳輸。主處理器與各模塊的通信結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2．3 GPRS模塊
    GPRS模塊選用華為GTM900C模塊，它是一款三頻段GSM／GPRS無線模塊。模塊接口簡單、使用方便且功能強大。它支持標準的AT命令及增強AT命令。GTM900C的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最高速率可達85．6 kbit／GTM900C提供40腳的ZIF接口，主要有電源接口、UART接口(最大串口速率可達115200bit／s)、標準SIM卡接口和模擬語音接口。
    本系統(tǒng)中，GTM900C主要是實現(xiàn)GPRS上網(wǎng)功能。該模塊的主要特點如下：
    1)單電源供電，供電范圍為3．3～4．8 V．典型供電電壓為4．2 V；
    2)可工作于三頻EGSM900和／GSM1800／GT800單頻；最大發(fā)射功率EGSM900／GT800 Class(2W)和GSM1800 Classl(1W)；
    3)支持GSM標準AT命令、V．25 AT命令和華為擴展AT命令；
    4)GPRS傳輸速率最高可達85.6 kbps，支持CS-1，CS-2，CS-3，CS-4 4種編碼方式。內(nèi)嵌了TCP／IP協(xié)議；支持多連接，提供ACK應(yīng)答，提供大容量緩存。
    GPRS模塊與主處理器的連接很簡單，由于兩者是通過串口接口進行通信的，所以將兩者用串口線連接即可。GPRS的網(wǎng)絡(luò)功能都已集成在模塊中，只需要在主處理器這一端將串口參數(shù)設(shè)置好，然后發(fā)送相應(yīng)的AT指令對模塊進行操作即可。

3 終端軟件設(shè)計
    終端軟件設(shè)計包括兩個任務(wù)，一是搭建開發(fā)環(huán)境，如Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核移植，編寫設(shè)備驅(qū)動等，二是在開發(fā)環(huán)境準備好的基礎(chǔ)上進行應(yīng)用程序的編寫，包括完成SPI總線數(shù)據(jù)輸入輸出功能，GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸功能，和界面顯示功能。
3．1 軟件開發(fā)平臺搭建
    軟件平臺采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，嵌入式Linux操作系統(tǒng)是一個源代碼公開的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可應(yīng)用于多種硬件平臺，可根據(jù)需要定制內(nèi)核，有良好的網(wǎng)絡(luò)支持，Linux系統(tǒng)內(nèi)核精簡、高效并且穩(wěn)定，能夠充分發(fā)揮硬件的功能，它非常適合在嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用。嵌入式Linux操作系統(tǒng)搭建的步驟為：在宿主機上建立交叉編譯的環(huán)境；編譯生成Linux的內(nèi)核，用的內(nèi)核是Linux-2．6．29；編譯生成根文件
系統(tǒng)，用的根文件系統(tǒng)為yaffs；向目標機下載Bootloader的映像，用的Bootloader為Supervivi；燒寫Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)的映像；復(fù)位啟動。為了使終端可以使用觸摸屏，液晶屏和SPI總線，將編寫的對應(yīng)的驅(qū)動編譯、添加到Linux內(nèi)核中。系統(tǒng)使用的宿主機系統(tǒng)為在虛擬機下運行的RedHat9．0。
    終端應(yīng)用程序用Qt來編寫，Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它具有優(yōu)良的跨平臺特性、面向?qū)ο?、豐富的API支持等優(yōu)點。Qt-Embedded是Qt的嵌入式版本，因此終端應(yīng)用程序的開發(fā)使用Qt／E作為開發(fā)工具。Qt運行環(huán)境的搭建步驟為：首先在宿主機上分別建立Ot-x86編譯環(huán)境和Qt-ARM編譯調(diào)試環(huán)境，采用Qt4．5．0版本；其次，將宿主機生成的Lib下的庫文件下載到目標板的某個目錄下，并在目標板上設(shè)置好環(huán)境變量，這樣在目標機上的Qt程序運行環(huán)境就建好了。在宿主機上交叉編譯好的Ot／E程序就可以下載到目標機上運行了。
3．2 終端應(yīng)用程序設(shè)計
    監(jiān)測終端需要采集監(jiān)測儀表的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，終端設(shè)計的數(shù)據(jù)采集模塊分別對不同的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集并做相應(yīng)的處理，數(shù)據(jù)采集模塊與CPU之間通過SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸，對與采集數(shù)據(jù)需按上端通信協(xié)議、PPP、TCP／IP協(xié)議進行二次成幀；利用GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，將處理后的數(shù)據(jù)信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心。
    GPRS模塊附著GPRS網(wǎng)絡(luò)并與上位機建立TCP數(shù)傳鏈路是通過向模塊發(fā)送一串AT指令實現(xiàn)。撥號動作完成，并成功建立數(shù)傳鏈路以后，GPRS模塊在終端串行口和上位機之間變得透明。另外，終端的重要狀態(tài)要能即時顯示在LCD上。
    綜上分析，監(jiān)控終端應(yīng)用程序要完成的任務(wù)有：串口參數(shù)設(shè)置，GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，讀取串口返回信息，SPI數(shù)據(jù)傳輸，GPRS數(shù)據(jù)傳輸，界面顯示。由于任務(wù)不止一個，而且有的任務(wù)需要同時運行，所以采用多線程編程。
    在Qt編程中主界面UI一般為主線程，子線程通過繼承Qt中的QThread線程類來完成。這些任務(wù)和功能可以通過3個線程來實現(xiàn)。3個線程的作用分別為：1)主線程：負責界面顯示，串口參數(shù)設(shè)置，GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，GPRS數(shù)據(jù)傳輸；2)SPI數(shù)據(jù)傳輸子線程：負責與數(shù)據(jù)采集模塊通信，將采集數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)；3)串口數(shù)據(jù)讀取子線程：CPU通過串口操作GPRS模塊，GPRS模塊的返回信息可以通過串口數(shù)據(jù)讀取子線程隨時讀取。程序模塊圖如圖5所示。

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3．2．1 顯示界面模塊
    界面顯示模塊：界面顯示由兩部分組成。一是實時顯示各模塊的采集數(shù)據(jù)及一定時間以內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)；二是顯示GPRS模塊設(shè)置界面，通過這個界面設(shè)置串口參數(shù)、設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間間隔、設(shè)置主機IP地址及端口號、發(fā)送AT指令、回顯模塊返回信息等。編寫界面設(shè)計文件mainwindow．h和mainwindow．cpp，其中串口參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)連接和GPRS數(shù)據(jù)傳輸封裝成相應(yīng)的子函數(shù)，利用Qt的信號槽機制，當捕捉到
相應(yīng)的信號便執(zhí)行對應(yīng)的函數(shù)。通過繼承Qt中的QThread線程類來完成GPRS數(shù)據(jù)讀取模塊和SPI模塊的功能。SPI模塊接收底層數(shù)據(jù)采集模塊的各種數(shù)據(jù)，顯示到界面并編碼通過GPRS通道傳輸?shù)缴衔粰C，GPRS返回的一些重要信息業(yè)需顯示到LCD界面上。
3．2．2 GPRS網(wǎng)絡(luò)連接任務(wù)
    GPRS網(wǎng)絡(luò)連接任務(wù)主要完成通過GPRS網(wǎng)絡(luò)建立與上位機的數(shù)據(jù)傳輸鏈路的過程。啟動GTM900C后，首先，需對PPP連接所使用的物理串口進行初始化，包括確定用于PPP連接的串行端口號以及通信波特率。然后，直接使用AT指令，撥號到中國移動的GPRS節(jié)點服務(wù)器(GGSN)。使用以下幾條燈指令使GTM900C進入數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)：
    “AT+CGATY?”用于查詢GTM900C是否已附著在中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，GTM900C將返回當前狀態(tài)；
    “AT+CGATT=1”用于設(shè)置GTM900C附著于中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，操作成功GTM900C將返回OK；
    “A1，+CGDCONT=1，“IP”“CMNET””用于設(shè)置中國移動的GPRS節(jié)點服務(wù)器的名稱和屬性，操作成功則返回OK；
    “AT％ETCPIP”用于實現(xiàn)PDP激活和TCP／IP的初始化，使模塊進入TCP／IP功能，操作成功返回OK；
    “AT％IOMODE=0．2，0”設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸模式，操作成功返回OK；
    “AT％IPOPEN=1，“TCP”，“115．24．116．19”，5000..1026”打開一條TCP／IP鏈接，選擇TCP傳輸，115．24．116．19為上位機IP地址，5000為上位機接受程序端口號，成功與上位機連接返回CONNECT。另外模塊還具有數(shù)據(jù)透傳功能，數(shù)據(jù)透明傳輸功能將實現(xiàn)TCP／IP上直接數(shù)據(jù)傳輸，進入透傳模式的AT指令是：“AT％TPS=1，1，3000，1024”，進入透傳模式后模塊將不會相應(yīng)其它AT指令，直接通過串口寫入數(shù)據(jù)便可實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。以上使模塊附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)的過程封裝在gprsConnect()函數(shù)中。
    PPP配置、認證通過以后，即應(yīng)用程序就已經(jīng)通過GTM900C成功進入了Internet網(wǎng)絡(luò)。最后，通過變量GPRSOK=1指示GPRS撥號成功并建立數(shù)傳狀態(tài)。在run()程序中隔一段時間判斷當前網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，若網(wǎng)絡(luò)斷開則變量GPRSOK=0，并調(diào)用gprsConnect()函數(shù)開始撥號任務(wù)重新建立數(shù)傳鏈路。
3．2．3 SPI數(shù)據(jù)通信模塊
    SPI通信程序包括兩部分，一是用于數(shù)據(jù)采集的單片機這邊需要通過SPI發(fā)送現(xiàn)場數(shù)據(jù)，接收控制指令，二是ARM主控制器需要讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送控制指令。數(shù)據(jù)采集模塊使用是帶有SPI接口的C8051f020單片機，SPI的數(shù)據(jù)寄存器是SHODAT。單片機和主控制器的SPI通信參數(shù)設(shè)置要一致。
    在主設(shè)備ARM這邊，SPI驅(qū)動已經(jīng)配置好，直接使用read()，write()等函數(shù)便可進行數(shù)據(jù)的讀取與接收。在單片機這邊采用中斷的方式進行SPI數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。對于從設(shè)備C8051f021單片機來說，只有將片選線線接低電平才會啟動數(shù)據(jù)傳輸，可利用這一點進行多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸，拉低一次便傳輸一個字節(jié)，這可用作與主設(shè)備之間的同步信號。主設(shè)備選一根I／O口線作為片選線，將其拉低，執(zhí)行一次SPI讀操作，再拉高，延時一定時間，這時從設(shè)備退出從模式，重新往SPIODAT里寫新數(shù)據(jù)及其他一些處理，主設(shè)備再將片選線拉低，執(zhí)行一次SPI讀操作。這樣便可進行多字節(jié)傳輸了。SPI主從設(shè)備通信流程圖如圖6所示。

3．3 終端性能測試
    將編譯好的界面應(yīng)用程序下載到終端處理器中并運行，主線程為顯示界面，隨時可與用戶進行信息，兩個子線程為讀SPI總線線程和串口讀寫線程，這3個線程同時并行運行。其中GPRS傳輸部分的界面如圖7所示，通過這個顯示界面設(shè)置串口、上位機IP地址、TCP端口和數(shù)據(jù)定時發(fā)送的時間間隔，發(fā)送文本框會顯示SPI總線讀取的數(shù)據(jù)值，接收文本框回顯GPRS模塊返回的信息。上位機用自己的PC機，通過軟件soeket tool監(jiān)聽終端發(fā)送給上位機數(shù)據(jù)，實驗證明終端界面應(yīng)用程序工作良好，數(shù)據(jù)傳輸也很準確。

4 結(jié)論
    系統(tǒng)的上位機接受界面可用VB編寫，并建立數(shù)據(jù)庫，方便分析、處理監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這部分程序正在完善中。監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集部分采用模塊化設(shè)計，可以靈活增減，終端軟件可以根據(jù)不同現(xiàn)場用戶自行設(shè)計計算公式處理數(shù)據(jù)，把終端設(shè)置好，在上位機通過GPRS網(wǎng)絡(luò)便可實時監(jiān)測現(xiàn)場。該檢測終端結(jié)構(gòu)靈活，實時性好，適用范圍廣，具有廣泛的應(yīng)用前景。