基于LPC2210的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

趙立新

摘? 要： 針對(duì)目前遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普遍存在的數(shù)據(jù)傳輸效率較低問(wèn)題，提出了一種基于嵌入式技術(shù)和GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了以LPC2210微處理器為基礎(chǔ)的硬件設(shè)計(jì)，以及使用uCOS-II軟件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中發(fā)揮良好的功能，實(shí)現(xiàn)在GPRS服務(wù)平臺(tái)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)取得、處理、無(wú)線傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)視等各種功能。最后對(duì)提出的基于LPC2210的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳輸。

關(guān)鍵詞： LPC2210; 自動(dòng)監(jiān)測(cè); 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議; 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集; 遠(yuǎn)程監(jiān)視

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 274，TP 311.52? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-2153（2019）01-0090-03

0? 引 言

遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需要將實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至管理中心的后方服務(wù)器上進(jìn)行處理，耗時(shí)且費(fèi)力[1]。要解決這一問(wèn)題，就需要使用現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)。例如，文獻(xiàn)[2]基于嵌入式Linux平臺(tái)對(duì)無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，用于獲取各種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于ARMLPC1788的多路電量采集與處理系統(tǒng)，以LPC2210微型處理器為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、串口發(fā)送、存儲(chǔ)和A/D轉(zhuǎn)換。

但在實(shí)際應(yīng)用程序中，往往伴隨著大量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程獲取和傳輸[4-5]。本文提出了一種基于LPC2210的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)，目的是為了解決目前遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普遍存在的數(shù)據(jù)傳輸效率較低問(wèn)題，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)提供的GPRS服務(wù)，在管道網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行無(wú)線傳輸，并發(fā)送數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由LPC2210模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、E2PROM存儲(chǔ)模塊和GPRS通信模塊組成（見(jiàn)圖1）。由監(jiān)測(cè)中心和多個(gè)數(shù)據(jù)收集終端組成的數(shù)據(jù)收集終端都可以收集各項(xiàng)工程應(yīng)用參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并及時(shí)將這些數(shù)據(jù)將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。有監(jiān)控中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、保存等處理，并可以對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)發(fā)出緊急報(bào)警信號(hào)[6]。圖1中，主要模塊是LPC2210微型處理器、內(nèi)存模塊和系統(tǒng)1 h電路、電源電路和系統(tǒng)的排放。LPC2220單片機(jī)是基于32位arm7tmi - s CPU，具有實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤支持，它有不同的32位定時(shí)器，8通道10位ADC，PWM通道和多達(dá)9個(gè)外部中斷引腳，特別適用于工業(yè)控制。

此外，監(jiān)測(cè)中心可以傳輸控制參數(shù)或管理指令。根據(jù)總線配置，LPC2220最多可以提供76 GPIO。它具有廣泛的串行通信接口，也較適合通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器和嵌入式軟調(diào)制解調(diào)器以及許多其他通用應(yīng)用程序。LPC2210的微控制器可以使用外部晶體或外部時(shí)鐘源[7]，ARM7系列微處理器具有普及率高、性?xún)r(jià)比高、功能豐富、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。此前51系列微控制器占據(jù)了工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，而在高要求的情況下，可以由ARM7系列代替。但是目前最流行的arm7tmi-s單片機(jī)并沒(méi)有MMU功能。禁止將Linux，WinCE，Vxworks等復(fù)雜嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)遷移到arm7tmi-s，限制了數(shù)據(jù)采集和顯示能力。但數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的主要功能是實(shí)時(shí)采集不同的信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，因此影響有限。

主模塊LPC2210的復(fù)位電路見(jiàn)圖2。系統(tǒng)使用了11.0592兆瓦的交流發(fā)電機(jī)，以支持微控制器LPC2210?？刂破鞯妮斎?輸出接口為3.3 V。

1.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)收集終端的主要模塊是嵌入的提供實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的微處理器LPC2210，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件以Uc/OS-II操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)。Uc/OS-II內(nèi)核精簡(jiǎn)，性能穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)需求，穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)收集終端必須能夠?qū)崟r(shí)收集數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)和并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，以及對(duì)異常數(shù)據(jù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

作為該系統(tǒng)的多項(xiàng)任務(wù)，必須特別注意分配任務(wù)，每一階段的任務(wù)都必須得到保證。在主動(dòng)通信模式中的每個(gè)通信設(shè)備是自供電的，并產(chǎn)生自己的振蕩磁場(chǎng)作為可以調(diào)制數(shù)據(jù)的媒介。通信設(shè)備先后打開(kāi)和關(guān)閉它們磁場(chǎng)以半雙工方式傳輸和傳輸接收。在被動(dòng)通信模式中，兩者之間通信設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生自己的磁性領(lǐng)域甚至可能不是自供電的。有源設(shè)備產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)不會(huì)將其關(guān)閉接收數(shù)據(jù)，就如同在主動(dòng)通信模式下工作。

1.3? 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

無(wú)線采集終端具有網(wǎng)關(guān)功能和流量計(jì)算功能，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)，能夠采集8路開(kāi)入、2路4～20 mA輸入，同時(shí)接收遙控?cái)?shù)據(jù)，動(dòng)作輸出繼電器。

1.3.1流量計(jì)算功能

無(wú)線采集終端可以用于渦輪、渦街、電磁等類(lèi)型流量計(jì)通過(guò)4～20 mA變送輸入的流量計(jì)算，具有2路4～20 mA信號(hào)輸入。其中，體積流量公式為

1.3.2? 網(wǎng)關(guān)功能

無(wú)線采集終端具有網(wǎng)關(guān)功能，通過(guò)配置工具，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DLT645，Modbus和威勝智能電表協(xié)議這三種協(xié)議數(shù)據(jù)采集功能的詳細(xì)配置。數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

2? 系統(tǒng)測(cè)試

為了對(duì)本文提出的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，采集節(jié)點(diǎn)地址采用8位編碼，在某工程現(xiàn)場(chǎng)每隔幾十米均勻設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，一個(gè)系統(tǒng)就可以容納256個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，使用一個(gè)控制中心進(jìn)行控制。同時(shí)每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)又包括8個(gè)測(cè)點(diǎn)，由模擬開(kāi)關(guān)選通。

按照上面所設(shè)置的幀格式，不計(jì)其他時(shí)間消耗，系統(tǒng)工作在9600bps，整個(gè)系統(tǒng)可以對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的2048個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采集。一個(gè)單點(diǎn)采集幀所需的傳輸時(shí)間為

實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)在1 s內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的8個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集和傳送。在2.5 s內(nèi)能實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的24個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集和傳送。實(shí)驗(yàn)證明了本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳輸。

3? 結(jié)束語(yǔ)

GPRS為現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供一種便捷的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。本文針對(duì)目前遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普遍存在的數(shù)據(jù)傳輸效率較低問(wèn)題，提出了一種基于嵌入式技術(shù)和GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以LPC2210微型處理器為基礎(chǔ)，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)提供的GPRS服務(wù)，在管道網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行無(wú)線傳輸，并發(fā)送數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。本文提出的系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步完善。

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