摘 要： 提出了一種基于嵌入式和TCP/IP協(xié)議的三層架構(gòu)城市供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了該系統(tǒng)的硬件，完成了下位機數(shù)據(jù)采集程序、上位機程序以及系統(tǒng)通信的實現(xiàn)。由此設(shè)計出基于ARM(S3C2440A)的高速實時數(shù)據(jù)采集通信與顯示系統(tǒng)，試驗驗證了該系統(tǒng)良好的可靠性和高速性，具有很好的經(jīng)濟性和實用價值。
關(guān)鍵詞： 分布式監(jiān)控；嵌入式；TCP/IP協(xié)議；ADO
城市供水系統(tǒng)擔(dān)任著為整個社會提供安全的生活工業(yè)用水以及合理調(diào)度用水環(huán)節(jié)、保障用水合理性的重要職責(zé)，是整個社會正常運行的命脈。而各個供水站又是整個供水系統(tǒng)中最為核心的工作部分。因此，城市供水站監(jiān)控系統(tǒng)就顯得特別重要[1]。
當(dāng)前城市供水站監(jiān)控系統(tǒng)多以單片機為核心，將外部傳感器數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換后接入單片機，其精度可達12位，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后用點陣顯示屏顯示。單片機為8位中央處理器，這對于要求較高的領(lǐng)域顯得稍有不足。下位機與上位機之間多采用串口進行通信。串行485接口采用差分方式傳輸，傳輸距離最大可達1 200 m，但此距離速率只能達到100 Kb/s，且485在任何時刻只允許一個下位機向上位機傳遞數(shù)據(jù)，使得這種通信方式受到了一定限制。
嵌入式處理器和以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展為這些問題提供了解決的途徑。
嵌入式處理器處理速度快、精度高、擴展接口豐富，且具有良好的人機交互性。以太網(wǎng)通信技術(shù)則以其實時性強、通信速度快、兼容性強、網(wǎng)絡(luò)布線方便的優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。本文以ARM嵌入式處理器為核心，搭載WinCE嵌入式系統(tǒng)，結(jié)合TCP/IP協(xié)議，設(shè)計出基于ARM和TCP/IP的城市供水站高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并對下位機數(shù)據(jù)采集程序、上位機程序以及系統(tǒng)通信的實現(xiàn)進行了詳細(xì)的敘述[2-3]。
1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)及硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)
數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的下位機以ARM9系列的三星S3C2440A嵌入式處理器為核心，處理器的主頻400 MHz，最高達533 MHz，處理速度快，內(nèi)置8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換頻率為2.5 MHz，數(shù)據(jù)采集速度和精度都很高。在ARM9的基礎(chǔ)之上搭載WinCE嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)具有與Windows XP相似的界面和操作，操作起來更加簡便快捷；支持多系列的微型處理器，包括ARM系列，使下位機在硬件和軟件方面得到了完美的融合。下位機接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，然后通過TCP/IP協(xié)議與上位機進行通信，上位機得到下位機傳來的數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)存儲、顯示、報警操作。上位機進行遠程監(jiān)控并完成對各個下位機信息的匯總和分析處理等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
城市供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)要測量的物理量主要有各個供水站電機的電流、電壓、溫度等參數(shù)，以及供水站的流量、進出口壓力、水溫等水質(zhì)的參數(shù)。要根據(jù)各種物理量以及其所處的具體工作環(huán)境選取合適的傳感器[4]。
由圖2可見，下位機硬件以ARM9為核心，其內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換接口用來接收外部傳感器的數(shù)據(jù)，搭載的TFT顯示屏作為下位機的顯示，同時其各個擴展接口可以提供其他的資源及為以后擴展所用。
傳感器采集的外部數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、濾波等消除干擾的操作后接入ARM內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，在嵌入式系統(tǒng)中進行處理，并在下位機顯示屏上進行顯示和相應(yīng)地人機操作。下位機擴展在板64 MB SDRAM內(nèi)存和在板128 MB Nand Flash存儲并支持32 GB的外部SD擴展槽，滿足本機運行以及存儲要求。擴展的RJ-45接口作為與上位機進行通信的接口。IIC總線以及其他接口作為擴展和其他功能用。
TCP/IP協(xié)議使用客戶端/服務(wù)器(C/S)模式進行通信，其通信是點對點的，在網(wǎng)絡(luò)中幾乎可以實現(xiàn)無差錯的數(shù)據(jù)傳輸，可靠性較高，速度快。由于與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的路由和網(wǎng)關(guān)等技術(shù)的發(fā)展，使得多路通信的實現(xiàn)變得簡單方便。
下位機ARM擴展了網(wǎng)絡(luò)RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口，使上下位機之間實現(xiàn)TCP/IP通信變得更加簡單。
每個供水站的下位機在將數(shù)據(jù)處理完畢之后，通過RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口與上位機相連，多處下位機通過路由器接入網(wǎng)絡(luò)，然后再與上位機進行通信。其結(jié)構(gòu)圖如圖1。
2 供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計
供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括下位機地址映射、下位機數(shù)據(jù)處理及顯示、數(shù)據(jù)通信以及上位機程序的實現(xiàn)。
2.1 下位機地址映射與實現(xiàn)
下位機搭載WinCE操作系統(tǒng)，ARM數(shù)據(jù)采集是通過GPIO來操作相應(yīng)的寄存器，WinCE系統(tǒng)則將GPIO的實地址映射到虛擬地址空間，通過對虛擬地址空間的操作來完成對GPIO及其他片內(nèi)資源的控制。要在WinCE中操作ARM中的GPIO，就必須按照BSP中的基地址找到相應(yīng)的虛擬地址。這就需要對其進行地址映射。圖3為地址映射原理圖。
地址映射的方法有2種：一是流驅(qū)動方法，即在流驅(qū)動中將物理地址進行相應(yīng)地映射，將流驅(qū)動添加到底層映像中來實現(xiàn)。另一種方法是在外部WinCE程序中將物理地址與虛擬地址進行相應(yīng)地映射，只需對外部程序進行操作，對內(nèi)核沒有影響，由于下位機數(shù)據(jù)采集部分并不復(fù)雜，所以采用第二種方法進行實現(xiàn)。
要實現(xiàn)地址映射，首先將所用到底層驅(qū)動中的寄存器作為一個類定義到WinCE嵌入式程序中去。然后把物理地址與虛擬地址用VirtualAlloc和VirtualCopy函數(shù)進行映射操作。VirtualAlloc函數(shù)用于在當(dāng)前進程的虛擬地址空間中保留或者提交空間，在保留時以64 KB為單位，提交時以4 KB為單位。VirtualCopy函數(shù)則用來綁定物理地址到靜態(tài)映射虛擬地址。VirtuaAlloc+VirtualCopy就可以將內(nèi)核到當(dāng)前進程進行映射，讓當(dāng)前程序找到對應(yīng)的虛擬地址[5-6]。
把映射后的地址作為一個新類進行定義，就可對寄存器進行操作，如圖3。
2.2 下位機數(shù)據(jù)處理及顯示
下位機采集數(shù)據(jù)后采用數(shù)字模塊進行顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)超出上下限的時候，下位機中的蜂鳴器就會進行報警，通知現(xiàn)場操作人員。
數(shù)字顯示模塊采用重繪的形式，預(yù)先定義好相應(yīng)的數(shù)字顯示值，在接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)字顯示模塊進行相應(yīng)地重繪。數(shù)字顯示模塊作為一個插件加入到WinCE程序中，在主函數(shù)中調(diào)用模塊中的顯示函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)字的顯示。
下位機報警功能采用ARM擴展的蜂鳴器實現(xiàn)，蜂鳴器由PWM進行控制。在S3C2440A中GPB0為控制PWM的寄存器，通過地址映射的方法對相應(yīng)的寄存器進行操作。
首先設(shè)置端口GPB0為TOUT0功能，然后設(shè)置預(yù)分頻和分割值，計數(shù)器的輸入時鐘(CCLK)頻率為：PCLK/(預(yù)分頻+1)/分割值。預(yù)分頻值和分割值分別由TCFG0、TCFG1來確定。接著設(shè)定初始值TCMPB3和TCNTB，由于計數(shù)器的輸入時鐘為PCLK/16/8；而rTCNTB0=(PCLK>>7)/freq；并且計數(shù)計到最大值的一半時發(fā)生翻轉(zhuǎn)。因為計數(shù)的基值是由rTCMPB0設(shè)定為最大計數(shù)值的50%。最后是定時控制器的設(shè)定rTCON，TOUT0就產(chǎn)生頻率是rTCNTB0，占空比是50%的方波，蜂鳴器就可以被驅(qū)動。當(dāng)數(shù)據(jù)超限時就調(diào)用此函數(shù)進行蜂鳴器報警。
2.3 TCP/IP通信的實現(xiàn)
上下位機之間采用客戶機/服務(wù)器(C/S)形式，下位機作為客戶機上位機作為服務(wù)器進行通信，TCP/IP通信通過套接字(socket)來實現(xiàn)[7-8]。
下位機利用套接字socket的connect函數(shù)向上位機(server)發(fā)送連接請求，當(dāng)連接成功之后，用send函數(shù)向上位機發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通信完成后關(guān)閉套接字。
上位機通信部分則與下位機相互對應(yīng)，用套接字socket的bind函數(shù)將套接字綁定到本地地址和端口上，并將套接字設(shè)置為監(jiān)聽模式，用listen函數(shù)來準(zhǔn)備接收client的請求，當(dāng)用accept函數(shù)接收到連接請求后，調(diào)用recv函數(shù)來接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其流程如圖4所示。
上位機作為服務(wù)器端，對設(shè)定的端口一直進行監(jiān)控，因此運用多線程進行循環(huán)監(jiān)聽，直到相應(yīng)的操作使其停止。
2.4 上位機顯示報警及數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)
上位機是整個系統(tǒng)監(jiān)視的核心，數(shù)據(jù)顯示為了直觀，采用動態(tài)曲線顯示；并進行聲音報警，采用數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)進行存儲，上位機系統(tǒng)顯示界面如圖5。
上位機動態(tài)曲線顯示利用畫刷、曲線等函數(shù)進行繪制，當(dāng)數(shù)據(jù)接收進來后繪制相應(yīng)的曲線，并且隨著數(shù)據(jù)的增多曲線進行移動，使顯示的曲線一直為當(dāng)前一段時間的數(shù)據(jù)。報警的實現(xiàn)比較簡單，只需在數(shù)據(jù)超限的時候調(diào)用Beep 蜂鳴函數(shù)即可。
上位機的另一個主要的功能就是對數(shù)據(jù)進行存儲，以便在以后調(diào)用。數(shù)據(jù)存儲利用ADO對數(shù)據(jù)庫進行訪問。
ADO是一個用于存取數(shù)據(jù)源的COM組件，是微軟最新的對象層次上的數(shù)據(jù)操作技術(shù)，它為操作OLE DB數(shù)據(jù)源提供了一套高層次自動化接口。從功能上來說，ADO又是一種OLE DB客戶程序，它不依賴于特定的OLE DB服務(wù)器反而支持所有的OLE DB服務(wù)提供者。通過這些OLE DB服務(wù)提供者，ADO支持客戶/服務(wù)器模式和基于Web的數(shù)據(jù)操作，尤其支持通過客戶/服務(wù)器模式或者基于Web模式訪問微軟的SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[9]。
用ADO的Connection、Command、Recordset等一系列關(guān)鍵對象，在數(shù)據(jù)庫中建立表格對當(dāng)前日期、時間以及傳感器數(shù)據(jù)進行實時的自動存儲。
為保證程序的運行狀況，運用多線程實現(xiàn)對規(guī)定數(shù)據(jù)的儲存操作。
本系統(tǒng)實現(xiàn)了對下位供水站數(shù)據(jù)的精確和高速的采集，并能將下位數(shù)據(jù)在嵌入式下位機系統(tǒng)中進行顯示，實現(xiàn)在現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進行觀測和處理，同時又可以將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中，將不同下位機中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中進行匯總和相應(yīng)的操作，實現(xiàn)了遠程的監(jiān)控和管理。此系統(tǒng)對其他的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)來說也具有很好的參考價值。
參考文獻
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