基于嵌入式Linux的血站多協議網關設計方案優化研究

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0140-04

Abstract：In order to better achieve data collection and transmission，a Linux based multi-protocol gateway system was designed.The gateway included hardware circuits and software，withthe AM335X microprocessoras thecontrol core，to achieve thecolection of analogand digital signals，and output digital signals.The gatewaystatuswais displayed on the touch screen，and the sensor collcted data was uploaded to the server through Ethernet or 4G network，anembedded Linux operating system was chosen forthe software platform of a multi-protocol gateway to achieve various functions of the gateway.Theresultsshowedthat thenetwork communication was normal，the measurement error of voltage signal acquisition was within 0.03% ，and the measurement error of current signal acquisition was within 0.06% ，which meets the accuracy requirements for multi-protocol gateway use and has good practical value.

Key words：multi-protocol gateway；linux operating system; ethernet;4G network

網關能夠使不同設備、不同軟件、不同硬件進行連接，并且網關具有管理能力，能夠靈活的將不同部分按通信要求進行管理[14]。隨著網關應用場景的不斷深人，不同傳感器采用不同傳輸協議無法組網的問題也顯現出來，同時缺乏傳輸標準，數據量大，無法長距離大規模組網等問題也急需解決[5-8] 。

為更好的實現數據采集和傳輸，本文設計了一種基于Linux的多協議網關系統，該網關包括硬件電路和軟件兩部分，以AM335X微處理器為控制核心，實現模擬量和數字量的采集，并且輸出數字量，通過觸摸屏顯示網關狀態，通過以太網或4G網絡將傳感器采集的數據上傳至服務器，選用嵌入式Linux操作系統用于多協議網關的軟件平臺，實現網關的各項功能。最后，通過系統測試，結果表明：網絡通信正常，電壓信號采集測量誤差在 0.03% 以內，電流信號采集測量誤差在 0.06% 以內，滿足多協議網關使用的精度要求。

1多協議網關方案設計

1.1 多協議網關功能需求

（1）具有雙電源供電，保證在出現供電故障時，采集的數據能夠全部存儲；（2）具備數據采集和輸出的功能，該網關能夠采集模擬量和數字量，并且輸出數字量，更好的控制現場設備；（3）具有數據自動上傳、處理、存儲的功能，為提高系統傳輸數據可靠性，應具備以太網通信和4G通信功能，并且可以隨時切換，確保數據能夠可靠保存；（4）具有人機交互功能，工作人員能夠直觀的查看網關采集的數據信息，并且工作人員可通過觸摸屏完成參數設置、歷史數據查看、修改等，更好的控制系統輸入輸出。

1.2 多協議網關設計方案

多協議網關以AM335X微處理器為控制器，該芯片具有高性能、低功耗的優點[9-]。系統通過采集模擬量數據輸出數字量信號，連接外部存儲設備，便于長時間存儲信息，并且數據能夠通過以太網通信或4G通信實現上傳，通過觸摸屏實現數據查看、參數配置；多協議網關系統架構如圖1所示。

2.1 RS-232通信設計

RS-232通信方式廣泛應用于工業控制中，本文選用多路復用器TMUX1104DGSR用于提供單通道4：1配置，該芯片工作電壓為 1.08～5.5V ，工作溫度為（-40+125）℃，滿足不用工況需求[12-14] 。

2.2 RS-485通信設計

因為RS-485通信傳輸距離、抗干擾能力等方面優于RS-232 通信，因此，本文在RS-485通信電路設計時，選用RS－85收發器，供電電壓為3.3V ，通信速率為 500kbit/s ，并且RS-485通信電路能夠實現RS-485和TTL兩種電平間轉換，選用RSM3485PHT芯片實現這一功能，該芯片支持多個設備，具有信號隔離功能，降低干擾[15-16] 。

2.34G接口電路設計

多協議網關具有無線網通信功能，能夠實現遠距離傳輸。本文選用型號為WH-LTE-7S4的4G通信模塊，該模塊支持聯通和電信的4G網絡，滿足不同區域使用條件，并且具有斷線自動重連的功能。

2.4 以太網接口電路設計

本文設計的多協議網關具有以太網接口，能夠在出現干擾、無線通信中斷等情況發生時，仍能穩定、可靠的傳輸數據。有線網絡的成本和抗干擾能力要優于無線網絡，適用于長期在固定位置運行的設備。本文選用型號為DP83848的以太網收發器。

3多協議網關軟件設計

3.1 嵌入式Linux操作系統

本文選用嵌入式Linux操作系統用于多協議網關的設計，該操作系統包含多種輔助工具軟件，能夠便于開發。Linux操作系統的優點為：

（1）Linux操作系統使用方便，任何人可免費使用Linux源代碼，避免了代碼中設置密碼無法打開的情況發生；（2）Linux操作系統支持多線程，并且相互不受影響，滿足多個用戶同時登陸同一個系統的需求；（3）Linux操作系統運行穩定，在多個用戶同時操作時，依然運行流暢。安全性高，不同級別的用戶只能操作相對應的功能，避免誤操作；（4）Linux操作系統具有較強的可移植性，能夠在X86、ARM、PC等多種平臺下正常運行。

3.2 4G通信設計

4G通信模塊通過串口和多協議網關連接，首先進行初始化，檢測SIM卡狀態、網絡狀態等，系統與TCP建立連接時通過AT指令完成的，使用的AT指令如表1所示。

4G通信流程如圖2所示。系統上電后，首先對4G模塊進行初始化，初始化完成后，檢測SIM卡狀態、網絡狀態、信號質量等；然后建立TCP連接，進行數據傳輸。如果無法建立4G通信，開啟以太網通信。

3.4模擬量輸入設計

本文選用TPSO8U作為模擬量輸入模塊，該模塊具有SPI接口，主機通過SPI控制TPSO8U模塊，模擬量輸入模塊的串口配置如表3所示。

3.3 串口通信設計

本文設計的多協議網關具有串口通信功能，首先需要對串口進行初始化，串口配置如表2所示。

TPSO8U模塊的通道寄存器用于保存系統采集的數據，通過配置通道模式實現電壓采集或電流采集，模擬量輸入采集流程如圖4所示。

串口初始化完成，配置成功后，開啟創建新線程，接收系統數據，判斷數據是否為幀頭，判斷完成后，接收數據并完成校驗，開始進行數據處理，停止接收數據，串口通信流程如圖3所示。

4多協議網關測試

4.1 數據采集測試

對多協議網關進行數據采集測試，包括數字量采集測試和模擬量采集測試，使用高精度的信號發生器模擬發出電流信號和電壓信號，通過改變模擬信號值的大小完成多次測量，測試結果如表4所示。

由表4可得到，電壓信號采集測試的測量誤差在 0.03% 以內；電流信號采集測試的測量誤差在0.06% 以內，滿足多協議網關使用的精度要求。

4.2 以太網通信測試

本文使用超五類網線連接網關平臺完成以太網通信的測試，將傳感器連接到網關平臺的串口上，進行數據采集，測試結果如圖5所示。

由圖5可知，系統向服務器發送了采集的數據，服務器接收正常，說明以太網通信工作正常，滿足使用需求。

5 結語

本文設計了一種基于Linux的多協議網關系統，更好的解決了不同傳感器采用不同傳輸協議無法組網的問題；同時對缺乏傳輸標準、傳輸數據量大、無法長距離大規模組網等問題也有效的解決，實現模擬量和數字量的采集，并且輸出數字量，通過觸摸屏顯示網關狀態，通過以太網或4G網絡將傳感器采集的數據上傳至服務器。通過系統測試，結果表明：網絡通信正常，電壓信號采集測量誤差在 0.03% 以內，電流信號采集測量誤差在 0.06% 以內，滿足多協議網關使用的精度要求，具有較好的實用價值。

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