基于ARM和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)測終端設(shè)計

陳 曦，李 玲，代丙媛

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

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(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中，因分布比較分散、環(huán)境惡劣，地點(diǎn)不固定，不便于用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)集中控制和實(shí)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[1]。

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(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，具有以下幾個特點(diǎn)：1）永遠(yuǎn)在線，接入速度快。分組交換接入時間少于1秒，可使遠(yuǎn)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(fèi)方式，大大降低了用戶的使用費(fèi)用；3）GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，且支持 TCP/IP協(xié)議，從而可實(shí)現(xiàn)與Internet的無縫連接[2]。

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(dú)立的實(shí)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(jī)處理器。各模塊采集的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的SPI（serial peripleral 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(jìn)行處理，并通過液晶屏加觸摸屏完成人機(jī)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(jī)。終端的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 終端的整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Whole structure of the terminal

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(kuò)存儲器電路及用于人機(jī)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。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of system hardware

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(jī)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ARM92OT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(dá)533 MHz，具有2片外接32 M的板載SDRAM，片內(nèi)外資源豐富，擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)存儲擴(kuò)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(jī)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(jī)處理器統(tǒng)一采用Cygnal公司的C8051F021單片機(jī)，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(zhǔn)、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(jī)的A/D準(zhǔn)換的電壓基準(zhǔn)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(jìn)入單片機(jī)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(yùn)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。

圖3 電壓信號轉(zhuǎn)換電路圖Fig.3 Voltage signal conversion circuit

各個數(shù)據(jù)采集模塊與主處理器通過SPI總線進(jìn)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(jìn)行通信[3]。SPI接口只有 MISO（主入從出）、MOSI（主出從入）、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(jìn)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。

圖4 SPI通信結(jié)構(gòu)圖Fig.4 SPI communication diagram

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(qiáng)大。它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令。GTM900C的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最高速率可達(dá)85.6 kbit/s。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(dá)115200bit/s）、標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口和模擬語音接口。

本系統(tǒng)中，GTM900C主要是實(shí)現(xiàn)GPRS上網(wǎng)功能。該模塊的主要特點(diǎn)如下:

l）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EGSM90O和/GSM1800/GT800單頻；最大發(fā)射功率 EGSM900/GT800 Class（2W）和 GSM1800 Class1（1W）；

3）支持 GSM標(biāo)準(zhǔn)AT命令、V.25 AT命令和華為擴(kuò)展AT命令；

4） GPRS傳輸速率最高可達(dá) 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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)備好的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shí)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[4]。嵌入式Linux操作系統(tǒng)搭建的步驟為：在宿主機(jī)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(biāo)機(jī)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(jī)系統(tǒng)為在虛擬機(jī)下運(yùn)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蟆⒇S富的API支持等優(yōu)點(diǎn)。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(yùn)行環(huán)境的搭建步驟為：首先在宿主機(jī)上分別建立Qt-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(jī)生成的Lib下的庫文件下載到目標(biāo)板的某個目錄下，并在目標(biāo)板上設(shè)置好環(huán)境變量，這樣在目標(biāo)機(jī)上的Qt程序運(yùn)行環(huán)境就建好了。在宿主機(jī)上交叉編譯好的Qt/E程序就可以下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行了[5]。

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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)建立TCP數(shù)傳鏈路是通過向模塊發(fā)送一串AT指令實(shí)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(jī)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(yùn)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(shí)現(xiàn)。3個線程的作用分別為：1）主線程：負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)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。

圖5 終端應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Application structure of the terminal

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(shí)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(jī)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(jī)制，當(dāng)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(jī)，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(jī)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(jìn)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(diǎn)服務(wù)器（GGSN）。使用以下幾條燈指令使GTM900C進(jìn)入數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)[6]：

“AT+CGATT?”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(dāng)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；

“Al，+CGDCONT=l，"IP"，"CMNET"” 用于設(shè)置中國移動的GPRS節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的名稱和屬性，操作成功則返回OK；

“AT%ETCPIP”用于實(shí)現(xiàn)PDP激活和TCP/IP的初始化，使模塊進(jìn)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(jī)IP地址，5000為上位機(jī)接受程序端口號，成功與上位機(jī)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(shí)現(xiàn)TCP/IP上直接數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)入透傳模式的AT 指令是：“AT%TPS=1，1，3000，1024”， 進(jìn)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(rèn)證通過以后，即應(yīng)用程序就已經(jīng)通過GTM900C成功進(jìn)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(dāng)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(jī)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(jī)，SPI的數(shù)據(jù)寄存器是SPI0DAT。單片機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取與接收。在單片機(jī)這邊采用中斷的方式進(jìn)行SPI數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。對于從設(shè)備C8051f021單片機(jī)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(diǎn)進(jìn)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SPI0DAT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(jìn)行多字節(jié)傳輸了。SPI主從設(shè)備通信流程圖如圖6所示。

圖6 SPI主從設(shè)備通信流程圖Fig.6 SPI communication flow between master and slave devices

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(yùn)行，主線程為顯示界面，隨時可與用戶進(jìn)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(yùn)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(jī)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(jī)用自己的PC機(jī)，通過軟件sockettool監(jiān)聽終端發(fā)送給上位機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)證明終端界面應(yīng)用程序工作良好，數(shù)據(jù)傳輸也很準(zhǔn)確。

圖7 GPRS數(shù)據(jù)傳輸界面Fig.7 GPRS data transmission interface

4 結(jié) 論

系統(tǒng)的上位機(jī)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(jī)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)便可實(shí)時監(jiān)測現(xiàn)場。該檢測終端結(jié)構(gòu)靈活，實(shí)時性好，適用范圍廣，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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