基于ARM9的智能控制臺系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張 營， 李駒光， 唐東明

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著計算機(jī)與微電子技術(shù)的飛速發(fā)展及后PC時代的到來，嵌入式芯片被廣泛的運(yùn)用到消費(fèi)、電子、微控制、無線通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等各個領(lǐng)域。嵌入式產(chǎn)品在全球范圍內(nèi)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并且嵌入式產(chǎn)品越來趨向于智能化，功能及應(yīng)用環(huán)境多樣化，小型化。嵌入式產(chǎn)品正在以越來越快的速度改變著人們的生活、工作和娛樂[1]。智能控制領(lǐng)域當(dāng)然少不了她的身影，該智能控制臺系統(tǒng)比其他控制系統(tǒng)更加智能化，功能更加多樣化，且具有一些獨(dú)特的功能。

本智能控制臺系統(tǒng)是應(yīng)用于危險惡劣環(huán)境下環(huán)境監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程控制等智能感知控制系統(tǒng)，主要由前端設(shè)備、ARM控制臺組成，后臺PC可輔助控制前端設(shè)備。前端主要有采集模塊、報警模塊、通信模塊、控制器模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與環(huán)境探測、信號傳輸、聲光告警、無線傳輸。ARM控制臺主要由ARM核心處理器模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、液晶顯示模塊、按鍵處理模塊等組成?，F(xiàn)主要研究與設(shè)計ARM控制臺部分，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1 ARM控制臺的基本功能分析

ARM 控制臺設(shè)計上采用較新的配置方案：ARM9+Linux2.6內(nèi)核，采用MiniGui實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的顯示功能及按鍵處理，實(shí)現(xiàn)接收前端數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、界面顯示、向后臺 PC上傳數(shù)據(jù)、向下轉(zhuǎn)發(fā)PC的數(shù)據(jù)及向前端下發(fā)控制指令等。

具體所實(shí)現(xiàn)的基本功能是根據(jù)無線通信節(jié)點(diǎn)之間的無線通信協(xié)議，封裝接收數(shù)據(jù)的特定函數(shù)，并分析前端采集的現(xiàn)場信息；封裝向前端發(fā)送控制信息的函數(shù)模塊，根據(jù)通信協(xié)議，調(diào)用該函數(shù)模塊，向前端發(fā)送諸如：前端溫濕度采集、前端壓力采集等控制指令；通過大屏幕液晶顯示屏和自定義鍵盤實(shí)現(xiàn)簡潔的控制菜單；同步進(jìn)行聲光報警，且保存所有前端設(shè)備的報警記錄；實(shí)現(xiàn)跟后臺 PC端的數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的組包與解包[2]等。

ARM 控制臺所實(shí)現(xiàn)的功能完全滿足了實(shí)際的需求，其核心工作是及時響應(yīng)前端的信號并在控制臺顯示界面上作出正確的響應(yīng)；滿足用戶對前端的參數(shù)設(shè)置及相關(guān)數(shù)據(jù)的管理功能，并滿足后臺 PC端對控制臺數(shù)據(jù)的讀取要求。

2 智能控制臺關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 硬件分析

采用 Atmel的工業(yè)環(huán)保級 ARM9處理器AT91SAM9263，它整合了 ARM926EJ-S? 高性能內(nèi)核，處理器的最高時鐘頻率為240 MHz，32位高速ARM926EJ-S處理器，支持DSP指令擴(kuò)展及JAVA加速、10/100M以太網(wǎng)MAC、USB2.0、SSC、USART以及其它豐富的片內(nèi)外圍部件[3]，是一款高性能、低功耗、低成本的嵌入式 ARM 微處理器，同時也是最適合于工業(yè)控制ARM9處理器之一。

該系統(tǒng)中的AT91SAM9263處理器配有64 MB的SDRAM 存儲器，8 MB的NOR Flash，128 MB的NAND Flash，完全滿足系統(tǒng)硬件要求。對 WSN(Wireless Sensor Network)網(wǎng)絡(luò)端提供1路485接口，1路232接口[4]，1個USB接口,1個10 M/100 Mb/s以太網(wǎng)接口以方便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能擴(kuò)展或其他功能擴(kuò)展。

2.2 軟件關(guān)鍵設(shè)計及其結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 多進(jìn)程間通信設(shè)計

本控制臺系統(tǒng)在Linux2.6+MiniGui上完成系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)。其軟件中的關(guān)鍵問題之一是多進(jìn)程間數(shù)據(jù)通信問題。使用多個進(jìn)程，進(jìn)程間通信的方式采用共享內(nèi)存方式[5]，共享內(nèi)存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因為進(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。對于像管道和消息隊列等通信方式，則需要在內(nèi)核和用戶空間進(jìn)行四次數(shù)據(jù)拷貝，而共享內(nèi)存只拷貝兩次數(shù)據(jù): 一次從輸入文件到共享內(nèi)存區(qū)，另一次從共享內(nèi)存區(qū)到輸出文件[5]。因此，采用共享內(nèi)存的通信方式效率是非常高的。但共享內(nèi)存創(chuàng)建后，由于多個進(jìn)程共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，必然需要某種同步機(jī)制，比如System V的信號燈或Posix的互斥鎖來同步對于共享內(nèi)存區(qū)域的訪問[6]。

軟件整體結(jié)構(gòu)上擬采用3個進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)：GuiMg進(jìn)程(顯示界面進(jìn)程)，Serialdata進(jìn)程 (串口數(shù)據(jù)處理進(jìn)程)，Netdata進(jìn)程 (網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)程)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要創(chuàng)建了3個共享內(nèi)存表：①前端信息表：共享于Serialdata進(jìn)程、Netdata進(jìn)程和GuiMg進(jìn)程，其數(shù)據(jù)來源:前端節(jié)點(diǎn)串口信息；設(shè)置前端設(shè)備的一些指令；控制臺界面上對前端的控制指令；②串口數(shù)據(jù)發(fā)送表：共享于Serialdata進(jìn)程、Netdata進(jìn)程和GuiMg進(jìn)程。根據(jù)控制臺跟前端的串行通信協(xié)議設(shè)定，用于發(fā)送控制臺和后臺 PC端到前端的前端設(shè)備控制指令，GuiMg進(jìn)程和 Netdata進(jìn)程完成寫，Serialdata進(jìn)程完成取數(shù)并發(fā)送；③網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送表：共享于Netdata進(jìn)程和Serialdata進(jìn)程。根據(jù)控制臺和后臺 PC端的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)定，用于發(fā)送后臺 PC端需要的數(shù)據(jù)信息，具體數(shù)據(jù)來源于串口收到的前端數(shù)據(jù)。Serialdata進(jìn)程完成寫，Netdata進(jìn)程完成取數(shù)并發(fā)送。

2.2.2 系統(tǒng)Gui進(jìn)程的具體實(shí)現(xiàn)

MiniGUI是面向?qū)崟r嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)，提供了完備的多窗口機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了類win32的消息事件傳遞及驅(qū)動機(jī)制；能夠支持多字符集和多字體；可以支持常見的圖像文件；還支持Windows的資源文件，如位圖、圖標(biāo)、光標(biāo)等，MiniGUI還具有小巧、可配置、移植性好等優(yōu)點(diǎn)[7]。

MiniGUI是基于事件驅(qū)動的，程序的流程不再是只有一個入口和若干個出口的串行執(zhí)行線路；相反，程序會一直處于一個循環(huán)狀態(tài)，在這個循環(huán)當(dāng)中，程序不斷從外部或內(nèi)部獲取某些事件[8]，該系統(tǒng)中的按鍵消息循環(huán)流程圖如圖2所示，當(dāng)有相應(yīng)的按鍵被按下時，從消息循環(huán)就會捕獲到按鍵消息，進(jìn)而進(jìn)行按鍵事件部分的處理。

MiniGUI中定時器消息的處理比較特殊，在實(shí)現(xiàn)上和Linux 的信號機(jī)制類似。當(dāng)一次定時器消息尚未處理而又出現(xiàn)一次新的定時器消息時，系統(tǒng)將忽略這個新的定時器消息，而且定時器消息是優(yōu)先級最低的消息類型，只有消息隊列中不存在其它類型的消息時，系統(tǒng)才會去檢查是否有定時器到期[9]。當(dāng)設(shè)定的定時器頻率很高時，就有可能出現(xiàn)定時器消息丟失或者間隔不均勻的情況，為避免出現(xiàn)上述問題該系統(tǒng)使用的定時器經(jīng)過了多次測試，合理的設(shè)置了定時器時間。

本系統(tǒng) MiniGUI中的定時器定時器消息事件流程圖如圖3所示，當(dāng)定時時間到時不斷地讀取前端共享內(nèi)存表數(shù)據(jù)，并及時的更新主工作界面上的信息。

系統(tǒng)的Gui進(jìn)程采用MiniGui實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)需要的顯示功能及按鍵和數(shù)據(jù)處理等功能，提供了友好的人機(jī)交互接口。

2.2.3 串口數(shù)據(jù)處理進(jìn)程及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)程

串口數(shù)據(jù)處理進(jìn)程及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)程使得本控制臺具有解析處理通信數(shù)據(jù)包功能，以提供 Gui進(jìn)程所需的數(shù)據(jù)及此兩個進(jìn)程本身進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，另外，其重新組織數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)功能，使得數(shù)據(jù)在不同的平臺上方便數(shù)據(jù)處理與共享，并使得系統(tǒng)能夠具有處理更復(fù)雜問題的功能。

Serialdata進(jìn)程的功能：完成和前端的串行數(shù)據(jù)收發(fā)；接收前端采集的現(xiàn)場信息，向前端發(fā)送控制指令；保存所有前端設(shè)備的報警記錄。

Netdata的功能：完成和后臺PC間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)，使用UDP方式完成。

串口數(shù)據(jù)處理及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理部分也是主要通過相關(guān)的通信協(xié)議來設(shè)計，具體代碼不再詳述。其串口處理流程圖如圖4所示。

其中，UDP網(wǎng)絡(luò)通信中為了保證通信的穩(wěn)定可靠性，加入了命令操作確認(rèn)部分[10]，控制臺給前端設(shè)備發(fā)生指令時，要求前端設(shè)備正常收到后，回復(fù)一個確認(rèn)信號。

3 結(jié)語

隨著眾多帶有危險環(huán)境的行業(yè)的發(fā)展，如電力，核工業(yè)等，生產(chǎn)及工作安全問題顯得越來越重要，安全監(jiān)控設(shè)備也越來越顯得迫切需要。這里設(shè)計的智能控制臺系統(tǒng)配合前端感知設(shè)備滿足了上述行業(yè)的需要，緩解了生產(chǎn)及工作中的安全問題。采用的較新的ARM9 + Linux2.6內(nèi)核 + MiniGui方案，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)需要的功能，設(shè)計較為人性化，符合在實(shí)際作業(yè)中的應(yīng)用，另外，該控制臺創(chuàng)新點(diǎn)是具有解析處理數(shù)據(jù)，重新組織數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)功能，使得該控制臺具有很強(qiáng)的實(shí)用性，是安全與監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展方向之一，該系統(tǒng)主要應(yīng)用在帶有危險環(huán)境的眾多行業(yè)中也可用于一般的非危險作業(yè)環(huán)境的智能監(jiān)控安防場合，將具有廣闊的應(yīng)用前景和市場。

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