基于ARM的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：該文介紹了基于ARM的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般通信模型，給出了基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的多層分布式采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)步驟。管道負(fù)責(zé)記錄檢測點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，管道通過RS485或USB方式連接智能控制模塊傳輸數(shù)據(jù)，智能控制模塊通過以太網(wǎng)方式連接各站點(diǎn)。站點(diǎn)通過GPRS與總管理控制系統(tǒng)互連，以面向連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？偣芾砜刂葡到y(tǒng)將采集到的水流量數(shù)據(jù)存放到專門數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，用戶通過瀏覽器查詢到采集流量數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：ARM；USB接口；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）05-1086-04

Research and Implementation of ARM-Based Remote Data Acquisition System

LI Cheng-jing

（Office of Educational Administration， The City Vocational College of Jiangsu， Nanjing 210036， China）

Abstract： This paper introduced the general communication model of ARM-based remote data acquisition system， presented the realization steps of multilayer distributed water rate data acquisition system based on computer network. The pipeline is responsible for recording the data of the detection points； it is connected to the intelligent control module through RS485 or USB to transmit data； the intelligent control module is connected to each site through the Ethernet. The sites and the general management control system are interconnected through GPRS， using connection-oriented mode for data transmission. The general management control system saves the collected water flow data in the special database server； the users can query to the water flow data through the browser.

Key words： ARM； USB Interface； data acquisition； database system

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)采集、記錄和顯示生產(chǎn)現(xiàn)場的各種物理參量，以供生產(chǎn)管理人員和現(xiàn)場操作者參考的系統(tǒng)。如在一些生產(chǎn)環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)性大、對人體有某些危害的場合，希望操作者能與被測控對象隔離，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)測量和生產(chǎn)過程自動(dòng)化管理[1]。

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決了數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳的問題，在一定程度上提高了工作效率，近年來出現(xiàn)了不少這樣的實(shí)用系統(tǒng)，近幾年隨著ARM嵌入式系統(tǒng)的性價(jià)比不斷提高，該文作者將數(shù)據(jù)采集器由原來的單片機(jī)升級為ARM控制芯片，在如下幾個(gè)方面進(jìn)行了升級[2]。

1） 豐富采集器接口

在傳統(tǒng)的采集器提供的輸入輸出接口的基礎(chǔ)上，增加了USB接口方式。USB即通用串行總線的縮寫，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊，得到了各大硬件廠商和軟件方案提供商的推崇，使用非常廣泛[3]。

2） 升級開發(fā)平臺

ARM芯片可以運(yùn)行在專用的μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之上，開發(fā)工具更加豐富，提供了諸如可視化調(diào)試界面，專用仿真平臺和快捷的平臺部署。

3）優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸

傳統(tǒng)采集采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)娇偪囟?，?shù)據(jù)瞬間流量大，在極端條件下會造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，極大降低系統(tǒng)的使用速度，影響系統(tǒng)的使用效率。ARM芯片支持更大的地址尋址空間，增加數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，將原來的數(shù)據(jù)直接傳輸升級為數(shù)據(jù)先緩沖再傳輸模式，將網(wǎng)絡(luò)時(shí)延帶來的影響降到最低[4]。

4）增加網(wǎng)絡(luò)傳輸方式

站點(diǎn)和總控管理系統(tǒng)除了采用Internet相連外，擴(kuò)展采用了GPRS 的無線通信方式。GPRS 永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣和傳送速率高等優(yōu)點(diǎn)， 既保證了數(shù)據(jù)的完整性， 又提高了實(shí)時(shí)性， 同時(shí)在經(jīng)濟(jì)開銷上更加合理[5]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于ARM的多層遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用Internet網(wǎng)絡(luò)或GPRS收集各個(gè)站點(diǎn)中的采集數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存到中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中供管理人員和用戶查詢。管道負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，若干個(gè)管道與智能控制器相連，智能控制器連接到站點(diǎn)上，管道和智能控制器之間通過RS232或USB進(jìn)行通信，智能控制器與站點(diǎn)通過以太網(wǎng)連接。所有站點(diǎn)和總控機(jī)一起連接到Internet上，以TCP方式或商用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？偪貦C(jī)可以通過發(fā)送命令字采集具體站點(diǎn)具體管道中的特定數(shù)據(jù)?？偪貦C(jī)將采集到的數(shù)據(jù)存放到后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，用戶和管理人員可以通過瀏覽器查詢到各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 背景知識

2.1 ARM9

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。目前，總共有30家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、SONY、菲利浦和國民半導(dǎo)體這樣的大公司。

2.2 ARM實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步（信號量，郵箱，消息 隊(duì)列）和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化。

2.3 ADO對象

微軟公司的ADO （ActiveX Data Objects） 是一個(gè)用于存取數(shù)據(jù)源的COM組件。它提供了編程語言和統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問方式OLE DB的一個(gè)中間層。允許開發(fā)人員編寫訪問數(shù)據(jù)的代碼而不用關(guān)心數(shù)據(jù)庫是如何實(shí)現(xiàn)的，而只用關(guān)心到數(shù)據(jù)庫的連接。訪問數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，關(guān)于SQL的知識不是必要的，但是特定數(shù)據(jù)庫支持的SQL命令仍可以通過ADO中的命令對象來執(zhí)行。ADO被設(shè)計(jì)來繼承微軟早期的數(shù)據(jù)訪問對象層，包括RDO （Remote Data Objects） 和DAO（Data Access Objects）。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由若干管道（數(shù)據(jù)采集器）、智能控制模塊、站點(diǎn)（普通PC機(jī)）、總控機(jī)（服務(wù)器）和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。管道和智能控制模塊通過RS232或USB相連，通過串口或USB方式進(jìn)行通信。站點(diǎn)和總控制機(jī)以及總控機(jī)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間通過Internet進(jìn)行面向連接的通信，借助于商用互聯(lián)網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。管道（數(shù)據(jù)采集器）的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 管道結(jié)構(gòu)圖

3.1 USB接口設(shè)計(jì)

管道主控ARM芯片通過PDIUSBD12 USB標(biāo)準(zhǔn)組件實(shí)現(xiàn)USB接口電路，減小了開發(fā)的時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用，是實(shí)現(xiàn)ARM嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展USB的最有效的解決方案之一。PDIUSBD12與S3C44B0X ARM7處理器的電路圖見圖3。

圖3 USB接口硬件電路圖

3.2 數(shù)據(jù)緩沖

為了降低外部接口時(shí)延對管道數(shù)據(jù)上傳的影響，系統(tǒng)將采集的到的數(shù)據(jù)首先存儲于Flash中，再根據(jù)指令將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到USB或RS232外部接口。

FLASH的數(shù)據(jù)總線寬度必須在系統(tǒng)啟動(dòng)前確定。該文所采用的FLASH數(shù)據(jù)總線為16。由于CPU是32位的，F(xiàn)LASH是16位的，故硬件連接時(shí)CPU地址線的最低位必須舍棄，從倒數(shù)第2根連上FLASH的最低位，其他引腳依次即可。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

從各管道上傳到管理端的程序需要進(jìn)行存儲，對于數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用場景可以選擇Oracle等大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對于數(shù)據(jù)量不大的情況可以選擇MS SQL Server或Mysql來存儲和管理數(shù)據(jù)。選擇好數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面的內(nèi)容。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特性，即為特定應(yīng)用環(huán)境構(gòu)造出最優(yōu)的數(shù)據(jù)模型；數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的行跡結(jié)構(gòu)特性并建立能滿足各種用戶對數(shù)據(jù)庫應(yīng)用需求的功能模型。

4 控制管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

管道負(fù)責(zé)記錄檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，管道通過RS485、USB方式或無線方式連接智能控制模塊傳輸數(shù)據(jù)，智能控制模塊通過以太網(wǎng)方式連接各站點(diǎn)。站點(diǎn)通過GPRS與總管理控制系統(tǒng)互連，以面向連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？偣芾砜刂葡到y(tǒng)將采集到的水流量數(shù)據(jù)存放到專門數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，用戶通過瀏覽器查詢到采集流量數(shù)據(jù)。以遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)為例給出控制管理系統(tǒng)的部分功能列表和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示?？刂乒芾沓绦蛴肰S2005開發(fā)，管道主控程序利用Keil C開發(fā)。

圖4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能圖

4.1 獲取數(shù)據(jù)集

public DataSet GetDataSet（string SqlString）

{using （OracleConnection connection = new OracleConnection（strConn））//新建連接對接

{connection.Open（）；//打開連接

using （OracleCommand cmd = new OracleCommand（SqlString， connection））//新建命令對象

{using （OracleDataAdapter da = new OracleDataAdapter（cmd））//新建數(shù)據(jù)控制器對象

{DataSet ds = new DataSet（）；//新建數(shù)據(jù)庫

try{da.Fill（ds， "ds"）；//填充數(shù)據(jù)集

cmd.Parameters.Clear（）；//清除命令參數(shù)

}

catch （System.Data.OracleClient.OracleException ex）//捕捉異常

{throw new Exception（ex.Message）；//拋出異常 }

return ds；//返回記錄集 }}}}

4.2 用戶管理

if （Common.IFExists（"UserID"， "SystemUser"， 0， txtUserID.Text） == true）//判斷該用戶是否存在

{ERPUser MyBuMen = new ERPUser（）；//新建用戶類

MyUser.UserName = this.txtUserName.Text；//用戶名

MyUser.UserID = this. txtUserID.Text；//用戶編號

MyUser.Department = this.TextBox5.Text；//用戶部門

MyUser.JiaoSe = this.TextBox6.Text；//用戶角色

MyUser.Add（）；//記錄增加

else{MessageBox.Show（this， "該登錄賬號已經(jīng)存在，請更改其他登錄賬號！"）；}

4.3 管道向站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)

uchar pjy，inti； /*定義校驗(yàn)碼變量p和循環(huán)變量i*/

do{/*發(fā)送buf數(shù)組中的數(shù)據(jù)到站點(diǎn)*/

pjy =0； /*校驗(yàn)碼清零*/

for（inti =0； inti

{SBUF=buf[inti]； /*將buf[i]放置到發(fā)送緩沖區(qū)*/ pjy +=buf[inti]； /*替換校驗(yàn)碼*/

while（TI！=1）； /*等待本次完成*/

TI=0；}

SBUF=pjy； /*發(fā)送校驗(yàn)碼pjy */

while（TI==0）；TI=0； /*等待pjy發(fā)完*/

while（RI==0）；RI=0； /*等待回復(fù)*/

}while（SBUF！=0）； /*如果回復(fù)非0，校驗(yàn)正確*/

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了基于ARM的多層分布式遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)涉及多個(gè)方面，與其它系統(tǒng)相比，系統(tǒng)采用ARM微處理器實(shí)現(xiàn)了與多種傳感器的接口，實(shí)現(xiàn)了更好的兼容性與靈活性。下一步，將在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的易用性和可操作性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王娜.基于WiFi的無線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].安防科技，2010（1）：16-18.

[2] 淦克亮.基于ARM嵌入式的圖像采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（12）：10-12.

[3] 高美娟，李凱，田景文.基于ARM的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程家居視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008：86-88.

[4] 馬江濤.單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2004，12（12）：1219-1221，1229.

[5] 陳曉風(fēng).ADCO809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測試與研究[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，17（4）：37-38.

[6] 劉永林，程耀瑜.基于ARM的圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2011（6）：12-15.