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(shè)備數(shù)據(jù)采集、人機(jī)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(jī)作為微處理器，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(luò)不穩(wěn)定，后期網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、更改困難?；谇度胧降闹悄懿杉魅诤狭水?dāng)今世界領(lǐng)先的技術(shù)和控制理念，代表了新一代智能模塊化的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。采用了近幾年來涌現(xiàn)的計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)及模糊控制技術(shù)等最新的技術(shù)成果，在網(wǎng)絡(luò)功能、多任務(wù)處理、實(shí)時性、擴(kuò)展性、人機(jī)接口等方面都有很多優(yōu)勢，有著越來越廣泛的應(yīng)用。

本文提出了基于ARM920T處理器S3C2440和GPRS技術(shù)的多功能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)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(guān)采用了模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)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(guān)具有應(yīng)用范圍廣、維護(hù)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(guān)應(yīng)用示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺采用ARM920T為核心的S3C2440處理器，ARM（AdvancedRISCMachines）公司設(shè)計(jì)的ARM920T處理器S3C2440具有全球領(lǐng)先的技術(shù)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(yīng)用于多種領(lǐng)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(kuò)存儲器和CPU必須的外圍電路，這樣就可以圍繞核心板進(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)。

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(jī)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(yīng)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(jìn)行設(shè)置和查看當(dāng)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(guān)的代碼。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(qiáng)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(diǎn)。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(jìn)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(guān)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(yùn)行的影響，提高模塊可靠性。輸入輸出模塊通過485與CPU進(jìn)行通信，可做到模塊的任意擴(kuò)展。CPU提供串口和485與模塊進(jìn)行通信。模塊與主CPU之間通過Modbus協(xié)議進(jìn)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(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(biāo)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(shè)計(jì)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(shè)備驅(qū)動的適合目標(biāo)硬件的板級支持包（BoardSupportPackage）。

定制符合課題要求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（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(yùn)行時映像文件（Rum-timeImage）。

根據(jù)目標(biāo)板的外圍設(shè)備編寫相應(yīng)的驅(qū)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(biāo)設(shè)備中，而且需要通過串口、USB等通訊設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

如果上述調(diào)試通過，則可以導(dǎo)出系統(tǒng)鏡像對應(yīng)的SDK（SoftwareDevelopmentKit）,SDK為應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)必不可少的軟件平添安裝SDK后，應(yīng)用程序開發(fā)人員即可以進(jìn)行應(yīng)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(chǔ)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(shè)備驅(qū)動

修改運(yùn)行時鏡像的配置文件

2.2WinceBootloader的設(shè)計(jì)

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(xiàng)目的后續(xù)開發(fā)工作帶來很大便利,而且在項(xiàng)目開發(fā)結(jié)束后對用戶使用產(chǎn)品也提供了很多方便。

WinceBootloader設(shè)計(jì)步驟如下：

Bootloader設(shè)計(jì)第一階段

(1)進(jìn)入啟動的入口地址，禁止看門狗、屏蔽所有中斷。

(2)設(shè)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(shè)置堆棧并跳轉(zhuǎn)至第二階段

2、Bootloader設(shè)計(jì)第二階段

第一階段結(jié)束后，函數(shù)跳轉(zhuǎn)到Bootloadermain（）函數(shù)。Bootloadermain（）調(diào)用OEMDebugInit（）函數(shù)，負(fù)責(zé)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(jìn)制映像文件，所以需要將eboot.exe文件轉(zhuǎn)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(biāo)機(jī)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(biāo)機(jī)中。

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

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

流驅(qū)動程序能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序與硬件之間的連通，主要接收兩種命令：從設(shè)備管理程序發(fā)出命令和應(yīng)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(shí)現(xiàn)設(shè)備的訪問。

流驅(qū)動程序只需包含一下步驟：

編寫驅(qū)動源代碼，包含頭文件調(diào)用、驅(qū)動代碼和驅(qū)動接口

編寫驅(qū)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(jìn)系統(tǒng)映像

2.4GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

GPRS模塊的一般應(yīng)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(qū)動函數(shù)：開關(guān)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(qū)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(qū)動抽象層。當(dāng)?shù)讓佑布龀龈膭拥臅r候，只需要對底層的驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行改動，而上層函數(shù)的代碼不變。并采用分層的結(jié)構(gòu)，從底到上分別為：串口驅(qū)動層、GPRS模塊驅(qū)動層、PPP協(xié)議層、IP協(xié)議層、TCP/UDP協(xié)議層與應(yīng)用層。若模塊自帶協(xié)議棧，就只需要串口驅(qū)動層、GPRS模塊驅(qū)動層、應(yīng)用層。上層函數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)用到底層函數(shù)，而底層函數(shù)的任務(wù)就是為上層函數(shù)提供服務(wù)，最終完成應(yīng)用層任務(wù)傳送數(shù)據(jù)。

驅(qū)動程序編寫。嵌入式微處理器通過串行口控制GPRS模塊，進(jìn)行撥號、設(shè)置等操作。首先是串行口驅(qū)動層。它實(shí)現(xiàn)打開串口、關(guān)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(chǔ)上編寫GPRS模塊的驅(qū)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(shè)置工作模式為發(fā)送消息；設(shè)置消息模式為文本格式；設(shè)置消息發(fā)送的目標(biāo)手機(jī)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(jié)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(guān)，將GPRS技術(shù)與嵌入式技術(shù)有機(jī)地結(jié)合到一起，該設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)理念，用戶可根據(jù)實(shí)際需求搭配所需的ARM處理器和外圍擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，具有應(yīng)用范圍廣、維護(hù)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(guān)能為工業(yè)生產(chǎn)中的多種監(jiān)測系統(tǒng)提供監(jiān)控?zé)o線遠(yuǎn)程化、低功能化、低成本且具有可擴(kuò)展行的技術(shù)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(xué)自動化學(xué)院研究生，方向計(jì)算機(jī)控制。

通信地址：山東省煙臺市芝罘區(qū)華信家園41號樓1單元1001室。

郵編：264000

郵箱：708968761@qq.com

電話：15853562125

收信人：衣英俊

備準(zhǔn)：3.22.傳動郵箱