0引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，智能檢測、工廠制造過程自動控制、設備數(shù)據(jù)采集、人機后臺數(shù)據(jù)庫交互等各種需求越來越多，傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足客戶的各種需求。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)通常采用單片機作為微處理器，單片機系統(tǒng)結構單一，系統(tǒng)功能不夠靈活，僅可滿足一些較簡單的控制要求。并且系統(tǒng)有線居多，布線麻煩，網(wǎng)絡不穩(wěn)定，后期網(wǎng)絡維護、更改困難?；谇度胧降闹悄懿杉魅诤狭水斀袷澜珙I先的技術和控制理念，代表了新一代智能模塊化的控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。采用了近幾年來涌現(xiàn)的計算機通訊技術、網(wǎng)絡技術、微電子技術及模糊控制技術等最新的技術成果，在網(wǎng)絡功能、多任務處理、實時性、擴展性、人機接口等方面都有很多優(yōu)勢，有著越來越廣泛的應用。

本文提出了基于ARM920T處理器S3C2440和GPRS技術的多功能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)無線遠距離傳輸功能于一身。本文所提出的多功能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關采用了模塊化設計，可根據(jù)實際需要配以不同的ARM處理器及所需的無線通訊模塊。該多功能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關具有應用范圍廣、維護成本低、性價比高數(shù)的優(yōu)勢。多功能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關應用示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用示意圖

1系統(tǒng)硬件設計

硬件平臺采用ARM920T為核心的S3C2440處理器，ARM（AdvancedRISCMachines）公司設計的ARM920T處理器S3C2440具有全球領先的技術水平，ARM920T處理器S3C2440憑借著體積小、功耗低、高性價比高的優(yōu)勢被廣泛的應用于多種領域。完全支持WindowsCE4.2/5.0、6.0及Linux2.6等操作系統(tǒng)。S3C2440核心板具有外擴存儲器和CPU必須的外圍電路，這樣就可以圍繞核心板進行外圍電路的設計。

ARM920T處理器S3C2440配置了存儲單元、射頻收發(fā)模塊、電源模塊、JTAG接口、人機接口、LCD顯示接口、MiniUSB主、從接口等。其中存儲單元模塊包括：64M字節(jié)的Nandflash、64M字節(jié)的SDRAM和SD卡。存儲模塊用于存放已調(diào)試好的應用程序和嵌入式WindowsEmbeddedCE6.0操作系統(tǒng)。電源模塊提供多種供電方式。本系統(tǒng)中電源模塊分為三部分，共給最小系統(tǒng)的直流1.25V和3.3V，供給信號采集板的數(shù)字電壓直流5V和模擬電壓直流5V。JTAG接口用于仿真調(diào)試程序。LCD顯示用于接LCD液晶顯示屏，方便用戶進行設置和查看當前參數(shù)和數(shù)據(jù)。USB接口用于燒寫WindowsEmbeddedCE6.0操作系統(tǒng)相關的代碼。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關硬件結構圖如圖2所示。

無線通訊模塊選用MC35i模塊。MC35i是西門子公司推出的新一代雙頻GSM/GPRS通信模塊的無線產(chǎn)品，它為用戶提供了永遠在線、高速度、更簡單的移動數(shù)據(jù)通訊手段。MC35i具有豐富的AT指令，功能強大，操作靈活方便。MC35i模塊主要由GSM基帶控制器、射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、射頻功率放大器、天線接口等部分組成。MC35i具有體積小、重量輕、功率低等特點。MC35i的工作電壓為3.3~4.8V，典型電壓為4.2V，最大工作電流為2A。模塊可在EGSM900和GSM1800兩個頻段工作可利用AT指令進行控制，并支持文本和PDU模式的短消息。

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關內(nèi)部輸入輸出單元與控制單元之間采用光電隔離，可極大降低工業(yè)現(xiàn)場干擾對模塊正常運行的影響，提高模塊可靠性。輸入輸出模塊通過485與CPU進行通信，可做到模塊的任意擴展。CPU提供串口和485與模塊進行通信。模塊與主CPU之間通過Modbus協(xié)議進行通信，各個模塊均做成光電隔離，提高系統(tǒng)的安全性。

圖2 多功能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關硬件結構圖

2系統(tǒng)軟件設計

2.1WindowsEmbeddedCE6.0系統(tǒng)移植

WinCE6.0的移植過程，從根本上說是針對不同的CPU，不同目標板編寫修改BSP的過程。如若編寫測試成功，則可通過PlatformBuilder建立合適設計者的WinCE6.0系統(tǒng)。定制一個新的WinCE6.0系統(tǒng)鏡像的過程如下：

創(chuàng)建包含BootLoader、OEM配置層（OMEAdaptation）和設備驅動的適合目標硬件的板級支持包（BoardSupportPackage）。

定制符合課題要求的系統(tǒng)設計（OSDesign）。即通過VS平臺創(chuàng)建一個PlatformBuilder的工程。通過此工程編譯產(chǎn)生終端的運行時映像文件（Rum-timeImage）。

根據(jù)目標板的外圍設備編寫相應的驅動并添加到BSP中。

修改OSDesign。主要通過CatalogItems和創(chuàng)建子工程的方式。

OSDesign經(jīng)過編譯后，下載得到的編譯后的映像文件到目標設備中，而且需要通過串口、USB等通訊設備進行系統(tǒng)調(diào)試。

如果上述調(diào)試通過，則可以導出系統(tǒng)鏡像對應的SDK（SoftwareDevelopmentKit）,SDK為應用系統(tǒng)開發(fā)必不可少的軟件平添安裝SDK后，應用程序開發(fā)人員即可以進行應用程序開發(fā)了。

在整個WinCE6.0操作系統(tǒng)的移植過程中，BSP的移植是最基礎的一步。創(chuàng)建BSP的過程主要包括

創(chuàng)建BootLoader

創(chuàng)建OAL

創(chuàng)建設備驅動

修改運行時鏡像的配置文件

2.2WinceBootloader的設計

Bootloader的開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)必不可少的環(huán)節(jié)，一個好的Bootloader不僅可以給項目的后續(xù)開發(fā)工作帶來很大便利,而且在項目開發(fā)結束后對用戶使用產(chǎn)品也提供了很多方便。

WinceBootloader設計步驟如下：

Bootloader設計第一階段

(1)進入啟動的入口地址，禁止看門狗、屏蔽所有中斷。

(2)設置CPU的速度和時鐘頻率。

(3)初始化基本硬件和存儲器系統(tǒng)。

(4)設置堆棧并跳轉至第二階段

2、Bootloader設計第二階段

第一階段結束后，函數(shù)跳轉到Bootloadermain（）函數(shù)。Bootloadermain（）調(diào)用OEMDebugInit（）函數(shù)，負責初始化Bootloader的調(diào)試功能串口，調(diào)用后Bootloader可以調(diào)用輸出功能函數(shù)。OEMDebugInit（）調(diào)用OEMInit（）調(diào)用OEMInitDebugSerial（）來初始化調(diào)試串口。

函數(shù)代碼如下：

BOOLOEMPlatformInit（）{…

G_dwImageStartBlock=IMAGE_START_BLOCK;

OEMGetRealTime（&st）;…

InitDisplay（）;

InitUSB（）;…

Isr_Init（）;

RerurnTRUE;}

3、配置文件

Bootloader源代碼編譯后產(chǎn)生一個名為eboot.exe文件，但寫入Flash的Bootloader是一個二進制映像文件，所以需要將eboot.exe文件轉換為.bin文件。

在%-WINCEROOT%\Platform\HardwarePlatformName\Sre\Bootloader\Eboot文件夾下創(chuàng)建名為eboot.bin的文件。

添加配置信息到eboot.bin文件中。

MEMORY

FILLERA0000000000030000RESERVED

EBOOTA0003000000020000RAMIMAGE

RAMA0005000000010000RAM

CONFIG

COMPRESSION=OFF

PROFILE=OFF

KERNELFXUPS=ON

MODULES

在%-WINCEROOT%\Platform\HardwarePlatformName\Sre\Bootloader\Eboot文件下創(chuàng)建一個名為makefile.inc的文件。

添加代碼到makefile.inc文件

BootImage:

Romimageboot.bib

在SOURCES文件的最后添加代碼:

WINCETARGETFILES=BootImage

4、燒寫B(tài)ootloader

配置好后，在PC中編輯產(chǎn)生Eboot.bin文件，把Bootloader燒寫到目標機中。利用sjf2440工具燒寫，使用JTAG下載。Bootloader下載后通過以太網(wǎng)口把系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件下載到目標機中。

2.3WindowsEmbeddedCE6.0操作系統(tǒng)下驅動程序開發(fā)

驅動程序是介于操作系統(tǒng)與外圍設備之間，主要作用是為操作系統(tǒng)提供一個接口，以實現(xiàn)對不同硬件的操作，其中包括物理設備和虛擬設備，并為應用程序提供設備服務。

流驅動程序能實現(xiàn)系統(tǒng)應用程序與硬件之間的連通，主要接收兩種命令：從設備管理程序發(fā)出命令和應用程序通過調(diào)用來的命令。用戶通過文件操作函數(shù)CreatFile、ReadFlie、WriteFlie等來實現(xiàn)設備的訪問。

流驅動程序只需包含一下步驟：

編寫驅動源代碼，包含頭文件調(diào)用、驅動代碼和驅動接口

編寫驅動接口

編寫MakeFile文件

編寫source文件

修改注冊表信息

將動態(tài)鏈接庫文件（DLL）編譯進系統(tǒng)映像

2.4GPRS模塊軟件設計

GPRS模塊的一般應用包括：數(shù)據(jù)傳輸、語音通話、短信等。模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集，程序中的所有代碼采用C語言編寫，可以編寫GPRS驅動函數(shù)：開關GPRS模塊函數(shù)、初始化GPRS模塊函數(shù)、撥號函數(shù)、斷開連接函數(shù)、檢測是否處于在線狀態(tài)函數(shù)。這些底層的驅動函數(shù)將會使上層協(xié)議的編寫很方便，更重要的是，它為我們提供了一個驅動抽象層。當?shù)讓佑布龀龈膭拥臅r候，只需要對底層的驅動函數(shù)進行改動，而上層函數(shù)的代碼不變。并采用分層的結構，從底到上分別為：串口驅動層、GPRS模塊驅動層、PPP協(xié)議層、IP協(xié)議層、TCP/UDP協(xié)議層與應用層。若模塊自帶協(xié)議棧，就只需要串口驅動層、GPRS模塊驅動層、應用層。上層函數(shù)的實現(xiàn)需要應用到底層函數(shù)，而底層函數(shù)的任務就是為上層函數(shù)提供服務，最終完成應用層任務傳送數(shù)據(jù)。

驅動程序編寫。嵌入式微處理器通過串行口控制GPRS模塊，進行撥號、設置等操作。首先是串行口驅動層。它實現(xiàn)打開串口、關閉串口、讀串口數(shù)據(jù)、寫串口數(shù)據(jù)等函數(shù)。然后，在這些串口函數(shù)的基礎上編寫GPRS模塊的驅動函數(shù)。該函數(shù)功能為發(fā)送消息，其過程為：測試modem是否處于激活狀態(tài)；設置工作模式為發(fā)送消息；設置消息模式為文本格式；設置消息發(fā)送的目標手機號；編輯消息內(nèi)容并選擇端口發(fā)送消息；等待接收反饋信息。

3、結論

本文提出了基于ARM處理器的嵌入式多功能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關，將GPRS技術與嵌入式技術有機地結合到一起，該設計采用了模塊化設計理念，用戶可根據(jù)實際需求搭配所需的ARM處理器和外圍擴展模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴展，具有應用范圍廣、維護簡單、性價比高、可二次升級的顯著優(yōu)勢。該多功能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關能為工業(yè)生產(chǎn)中的多種監(jiān)測系統(tǒng)提供監(jiān)控無線遠程化、低功能化、低成本且具有可擴展行的技術解決方案。

作者簡介：

衣英?。?987-），男，漢，深圳市怡化電腦有限公司（煙臺辦事處）工程師。

仲萌維（1987-），男，漢，青島科技大學自動化學院研究生，方向計算機控制。

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