數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王兵

（海軍計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100841）

進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)，開發(fā)平臺(tái)的選擇非常重要。目前，基于ARM架構(gòu)的硬件平臺(tái)較為流行，產(chǎn)品資源非常豐富。而μC/OS-II是近年來發(fā)展迅速的開放源碼實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有良好的可移植性，因此，基于ARM架構(gòu)的處理器和μC/OS-II操作系統(tǒng)是進(jìn)行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的理想平臺(tái)。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能與組成

利用上述平臺(tái)本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，測(cè)量遠(yuǎn)程設(shè)備的環(huán)境溫度變化情況和電池電量，并能啟動(dòng)溫度控制器工作，在電池電量不足時(shí)，向數(shù)據(jù)采集控制中心發(fā)送報(bào)警信息。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

（1）定時(shí)檢測(cè)、采集遠(yuǎn)程設(shè)備環(huán)境溫度及供電電池電壓，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心；

（2）在環(huán)境溫度超出預(yù)定范圍時(shí)，啟動(dòng)溫控器工作，以保持設(shè)備環(huán)境溫度；

（3）在電池電量不足時(shí)，向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息；

（4）可本地設(shè)置、修改系統(tǒng)工作參數(shù)，也可由監(jiān)控中心通過短信遠(yuǎn)程控制、設(shè)定系統(tǒng)工作參數(shù)；

（5）監(jiān)控中心將數(shù)據(jù)信息保存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，并能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按預(yù)設(shè)參數(shù)決定是否需對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行人工維護(hù)；

性狀:薏苡仁呈寬卵形或長(zhǎng)橢圓形,長(zhǎng)4-8mm,寬3-6mm。表面乳白色,光滑,偶有殘存的黃褐色種皮。一端鈍圓,另端較寬而微凹,有1淡棕色點(diǎn)狀種臍。背面圓凸,腹面有1條較寬而深的縱溝。質(zhì)堅(jiān)實(shí),斷面白色,粉性。氣微,味微甜[11]

（6）數(shù)據(jù)采集/控制器工作異常時(shí)，能向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息，請(qǐng)求進(jìn)行人工維護(hù)；

（7）能將采集的溫度數(shù)據(jù)信息本地存儲(chǔ)，系統(tǒng)通信失敗時(shí)，可通過USB設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ)。

系統(tǒng)組成關(guān)系如圖1所示。其中數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2000，用于存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)信息和遠(yuǎn)程設(shè)備工作、維護(hù)情況信息；數(shù)據(jù)采集控制中心采用工控機(jī)服務(wù)器、Windows Server2003，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集控制軟件系統(tǒng)，通過串口與GSM模塊相連，采用短信通信方式完成對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的信息采集與管理控制；GSM模塊采用Siemens的TC35，通過短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的交互，可使系統(tǒng)建設(shè)與維護(hù)投資小，工作可靠；數(shù)據(jù)采集/控制器用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及相應(yīng)設(shè)備的控制。

1.2 數(shù)據(jù)采集/控制器硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集/控制器是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，要求高性能、高可靠、低功耗、低成本，而LPC2100系列控制器是PHILIP公司推出的低功耗ARM架構(gòu)的微控制器，可以很好地滿足上述需求。其中的LPC2158控制器能支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤，32位144引腳，40 KB靜態(tài) RAM，帶有 512 KB高速片內(nèi) Flash存儲(chǔ)器，片內(nèi) 128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大的時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，內(nèi)置32位定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗，最大60 MHz的CPU操作頻率，支持低功耗模式。基于此款微控制器設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集/控制器的硬件結(jié)構(gòu)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集／控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖

監(jiān)控器核心板集成了2 MB SRAM和4 MB Flash存儲(chǔ)器和4×4鍵盤，還集成了所需的外設(shè)接口模塊，包括液晶顯示接口、USB接口模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、2個(gè)RS232接口以及 DC/DC轉(zhuǎn)換等模塊。外接設(shè)備有GSM模塊、128×64液晶屏，U盤、電池電源、溫度傳感控制器等，其中液晶屏和U盤為選配設(shè)備，為降低系統(tǒng)成本與功耗，只在需要時(shí)配接相應(yīng)設(shè)備。

2 數(shù)據(jù)采集/控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在目前嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，μC/OS-II源碼公開、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、移植性好，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，其中絕大部分使用C語(yǔ)言，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單；能很容易被移植到各種微處理器上，移植過程中，用戶只需做少量工作；支持實(shí)時(shí)多任務(wù)，可裁剪、可固化，是一款優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，以其為平臺(tái)，用戶可以快速地開發(fā)出自己的應(yīng)用系統(tǒng)。

2.1 μC/OS-II的移植

以μC/OS-II為軟件平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，首先，要進(jìn)行ARM硬件平臺(tái)下的操作系統(tǒng)移植，對(duì)μC/OS-II與處理器有關(guān)的代碼進(jìn)行修改，主要工作有：

（1）在系統(tǒng)文件OS_CPU.H中要定義10個(gè)不依賴于編譯的數(shù)據(jù)類型，以免與處理器類型產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，從而影響移植；定義OS_STK_GROWTH常量為1，指明堆棧的生長(zhǎng)方向?yàn)樽陨隙拢欢x兩個(gè)宏OS_ENTER_CRITICAL（）、OS_EXIT_CRITICAL（），以禁止和允許中斷，系統(tǒng)代碼訪問臨界區(qū)前要先禁止中斷，訪問完畢后重新允許中斷；定義宏OS_TASK_SW（），在任務(wù)級(jí)代碼中調(diào)用，使系統(tǒng)從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。

（2） 在OS_CPU_C.C文件中編寫6個(gè)C函數(shù)OSTaskStkInit（）、OSTaskCreateHook （）、OSTaskDelHook （）、OSTaskSwHook （）、OSTaskStatHook （）、OSTimeTickHook （）。OSTaskStkInit（）用來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，OSTaskCreateHook（）允許用戶及使用特定移植實(shí)例的用戶擴(kuò)展 μC/OS-II的功能，OSTaskDelHook（）用于任務(wù)刪除時(shí)的系統(tǒng)調(diào)用，OSTaskSwHook（）是發(fā)生任務(wù)切換時(shí)的調(diào)用函數(shù)。這些函數(shù)中只有OSTaskStkInit（）是必需和函數(shù)，其余函數(shù)必須聲明，但不一定需要包含代碼。

（3）在OS_CPU_A.ASM文件中編寫4個(gè)匯編函數(shù)：OSStartHighRdy（）使就緒狀態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)開始運(yùn)行，OSCtxSw（）用于任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換，OSIntCtxSw（）用于中斷級(jí)的任務(wù)切換，OSTickISR為內(nèi)核處理時(shí)鐘節(jié)拍的中斷處理函數(shù)。應(yīng)注意運(yùn)行OSStart（）后，在系統(tǒng)啟動(dòng)的第一個(gè)任務(wù)中初始化節(jié)拍中斷。

（4）主函數(shù)程序結(jié)構(gòu)：在主程序中應(yīng)包含頭文件config.h，其中對(duì)最大任務(wù)數(shù)、信號(hào)量和郵箱等內(nèi)核參數(shù)進(jìn)行定制和配置，分配各任務(wù)的堆棧空間，主函數(shù)main（）要先后調(diào)用 OSInit（），變量初始化，創(chuàng)建各任務(wù)，調(diào)用OSStart（），進(jìn)入實(shí)時(shí)多任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。主程序結(jié)構(gòu)如下：

2.2 系統(tǒng)任務(wù)劃分與功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集/控制器的軟件系統(tǒng)共劃分為6個(gè)主要任務(wù)，按優(yōu)先級(jí)順序分別為控制任務(wù)、鍵盤任務(wù)、溫度監(jiān)測(cè)任務(wù)、串口通信任務(wù)、電量監(jiān)測(cè)任務(wù)、顯示任務(wù)。

（1）控制任務(wù)：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)各任務(wù)后，根據(jù)收到的鍵盤或短信命令，修改系統(tǒng)工作參數(shù)，控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，溫度超過設(shè)定值時(shí)，控制溫度控制器工作。

（2）鍵盤任務(wù)：通過鍵盤可以輸入控制命令、設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)。鍵盤任務(wù)循環(huán)讀取鍵盤，將按鍵信息發(fā)送到控制任務(wù)，任務(wù)處理過程中應(yīng)考慮到按鍵的抖動(dòng)等特殊情況的處理。

（3）溫度監(jiān)測(cè)任務(wù)：監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，按設(shè)置參數(shù)定時(shí)讀取經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的溫度值，進(jìn)行本地存儲(chǔ)，并向串口通信任務(wù)發(fā)送環(huán)境溫度信息，由串口通信任務(wù)通過GSM模塊向數(shù)據(jù)采集控制中心發(fā)送溫度數(shù)據(jù)短信，供采集控制中心儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)和分析。該任務(wù)還要進(jìn)行喂狗操作，將看門狗復(fù)位，然后進(jìn)入循環(huán)等待下一次定時(shí)數(shù)據(jù)采集。

（4）串口通信任務(wù)：將采集的溫度、電量等信息緩存至規(guī)定（可設(shè)置）的條數(shù)時(shí)，通過串口發(fā)送給GSM模塊；對(duì)收到的報(bào)警信息則不進(jìn)行緩存，直接通過串口發(fā)送給GSM模塊。每次發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，讀取GSM模塊的未接收短信，若為命令短信，則發(fā)送給控制任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)控制。

（5）電量監(jiān)測(cè)任務(wù)：檢測(cè)電池電量，當(dāng)電池電量低于設(shè)定值時(shí)，向串口通信任務(wù)發(fā)送低電信息，由串口通信任務(wù)通過GSM模塊向數(shù)據(jù)采集控制中心發(fā)送低電報(bào)警短信，請(qǐng)求人工維護(hù)。

（6）顯示任務(wù)：顯示任務(wù)用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括溫度、電量、報(bào)警信息以及鍵盤輸入信息的回顯，考慮系統(tǒng)的低功耗要求，在遠(yuǎn)程無人值守環(huán)境下，可關(guān)閉系統(tǒng)的顯示，或取消液晶顯示配置，降低硬件成本。

本文以ARM系統(tǒng)的控制器系統(tǒng)和μC/OS-II為軟、硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)，達(dá)到了低成本、低功耗、建設(shè)實(shí)施簡(jiǎn)便、快捷的要求，應(yīng)用效果令人滿意。本系統(tǒng)的解決方案對(duì)于相似應(yīng)用環(huán)境的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制具有一定的借鑒意義。

[1]邵貝貝譯.μC/OS-II源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[2]周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.