（系统工程专业论文）基于嵌入式的实时多任务数据采集与传输系统的研究.pdf

中图分类号： u d c ： 】s39 982 学校代码： 1 0 0 5 5 密级：公开 高蕊天淫 硕士学位论文 基于嵌入式的实时多任务数据采集与传输系统的研究 r e s e a r c ho fe m b e d e dr e a lt i m em u l t i t a s k d a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m 南开大学研究生院 二。一。年五月 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 割丞基 2 0 1 0 年5 月2 3 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 基于嵌入式的实时多任务数据采集与传输系统的研究 姓名刘冠良学号 2 1 2 0 0 7 0 2 7 5 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 3 日 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕+ 口 院系所信息技术科学学院 专业 系统工程 联系电话2 3 5 0 9 6 8 3 e m a i l l i u g u a n l i a n 9 8 3 0 g m a i l c o r n 通信地址( 邮编) ：天津市南开大学信息技术科学学院( 3 0 0 0 7 1 ) 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：割丞良2 0 1 0 年5 月2 3 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目基于嵌入式的实时多任务数据采集与传输系统的研究 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限2 0年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密l o 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 随着工业设备的数字化程度逐步提高，人们迫切需要一个通用化的数 据平台，可以将不同地区的设备数据集中到监控中心进行统一管理。嵌入 式控制芯片的发展为这一平台的实现提供了硬件基础，而互联网的快速普 及，为其提供了通讯环境。 本文的研究目标是在以a r m 9 芯片为微控制器的硬件基础上，采用 m o d b u s 协议作为系统采集部分的通讯协议，通过有线的以太网通讯和无线 的g p r s 通讯作为传输方式，完成数据采集传输系统的设计与开发。 本文的主要工作包括六个方面。第一，设计并实现了m o d b u s 通讯协 议主站部分的协议栈；第二，完成了t c p i p 协议栈的移植工作，实现了以 太网通讯；第三，通过手机模块设计并实现了g p r s 通讯；第四，将手机 短信息作为控制命令传输方式，实现了远程控制；第五，参考m o d b u s 通 讯协议，设计并实现了系统参数配置功能；第六，移植了嵌入式操作系统， 统一管理各个任务的调度，提高了系统的实时性。 本文的创新点包括三个方面。第一，实现了无线的g p r s 和有线的以 太网两种互联网接入方式，提高了系统对环境的适应性；第二，利用短信 息辨识实现了设备的远程控制；第三，完成了系统参数配置功能，形成了 一个完整的系统产品。 关键词：嵌入式m o d b u s 协议手机模块t c p i p 协议栈 a b s t r a c t ab s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd i g i t i z ed e g r e eo fi n d u s t r i a le q u i p m e n t s ，p e o p l en e e da c o m m o nd a t as y s t e mw h i c hc a l lg a t h e rt h ed a t ao fe p q u i p m e n t sf r o md i f f e r e n ta r e a s t oac o n t r o lc e n t e rw h e r et h ed a t aw i l lb ep r o c e s s e d t 1 1 ed e v e l o p m e n to fe m b e d e d m i c r o c o n t r o l l e rp r o v i d e st h eh a r d w a r ef o n d a t i o nt os o l v et h i s p r o b l e ma n dt h e i n t e r a c tc a nb eu s e da sc o m m u n i c a t i o nc i r c u m s t a n c e s t h eo b j e c t i v eo ft h i st h e s i si st od e s i g na n dr e a l i z eac o m m o nd a t aa c q u i s i t i o n a n d t r a n s m i s s i o n s y s t e m b a s e do nt h ee m b e d e dm i c r o c o n t r o l l e ro fa r m 9 n e m o d b u sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li su s e da st h ea c q u i s i t i o np r o t o c 0 1 e t h e m e ta n d g p r sa r et h et w ok i n d so f t r a n s m i s s i o nm o d e t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si n c l u d ss i xp a r t s f i r s t ，t h em a s t e rp a r to fm o d b u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lh a sb e e nr e a l i z e d s e c o n d ，e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nh a s b e e nr e a l i z e db yt r a n s p l a n t i n gt h et c p i ps t a c k t l l i r d t h eg p r sc o m m u n i c a t i o n h a sb e e nr e a l i z e db ym o b i l em o d u l e f o u r t h ，r e m o t ec o n t r o lh a sb e e nr e a l i z e db y u s i n gs h o r tm e s s a g es e r v i c e ( s m s ) a st h et r a n s m i s s i o nm o d e o fc o n t r o lc o m m a n d f i r h d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o nb yr e f e r e n c i n g t h em e c h a n i s mo fm o d b u s l a s t ，t h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mh a sb e e n t r a n s p l a n t e dt oi m p r o v et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c e t h ei n n o v a t i o no ft h i st h e s i si n c l u d e st h r e ea s p e c t s f i r s t ，t h er e a l i z a t i o no ft w o k i n d so fi n t e m e ta c c e s sm e t h o dc a ni m p r o v et h ee n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i 够o ft h e s y s t e m s e c o n d ，r e m o t e c o n t r o lh a sb e e nr e a l i z e d b yu s i n gs m s t h i r d ，t h e a c h i e v e m e n to fc o n f i g u r a t i o nf o r m e dac o m p l e t es y s t e mp r o d u c t k e yw o r d s ：e m b e d d e d m o d b u sp r o t o c o lm o b i l em o d u l e t c p i ps t a c k i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 第一节引言1 1 1 1 信息的概念1 1 1 2 数据的概念1 1 1 3 比特流的思考2 第二节数据采集与传输控制平台简介3 1 2 1 数据采集与传输控制平台的提出3 1 2 2 课题研究的历史和现状4 第三节相关的技术背景5 1 3 1 嵌入式系统6 1 3 2a r m 简介6 1 3 3 网络方面的简介8 第四节研究内容1 1 第二章数据采集与传输系统的整体架构及方案设计1 3 第一节数据采集与传输系统的整体架构1 3 第二节数据采集与传输系统的方案设计1 5 2 2 1 采集实时数据1 5 2 2 2 数据的传输2 5 2 2 3 系统参数配置功能2 6 i i i 目录 2 2 4 系统整合实时操作系统r t x 介绍2 7 第三节本章小结2 9 第三章数据采集与传输系统的硬件平台介绍3 1 第一节s t r 9 1 0 - e v a l 开发板3 1 3 1 1 开发板简介3 l 3 1 2 开发板特点3 2 第二节硬件平台所涉及到的主要芯片介绍3 3 3 2 1a r m 芯片s t r 9 1 2 f a w 4 2 3 3 3 2 2 以太网物理层芯片s t e i o o p 3 8 3 2 3r s 4 8 5 驱动芯片a d m 3 4 8 5 e 3 9 第三节硬件平台的主要接口介绍：+ ：二：3 9 3 3 1j t a g 调试接口3 9 3 3 2r j 4 5 以太网接口4 1 3 3 3r s 4 8 5 接口4 1 第四节p i m l 手机模块介绍4 2 3 4 1p i i l 手机模块概述4 2 3 4 2p i m l 手机模块主要功能特性4 2 3 4 3p i n e 手机模块电源供应4 3 3 4 4 手机模块连接器接口4 4 第五节本章小节4 6 第四章数据采集与传输系统的软件设计4 7 第一节软件设计的开发环境4 7 4 1 1r e a l v i e wm d k 简介4 7 4 1 2uv i s i o n 3 的主要特征4 7 4 1 3u n l i n k 2 仿真器简介：4 8 第二节m o d b u s 主站协议的软件实现4 8 4 2 1m o d b u s 主站协议的设计分析4 8 i v 目录 4 2 2f f o d b u s 主站协议的具体实现5 l 第三节数据传输的软件实现5 3 4 3 1 手机模块a t 指令介绍5 3 4 3 2g p r s 传输实现5 4 4 3 3 短消息处理实现5 6 4 3 4 以太网传输实现6 0 第四节系统参数配置的软件实现6 4 4 4 1 配置信息的接口处理6 4 4 4 2 配置信息的存储单元6 4 4 4 3 配置信息的通讯协议6 6 第五节多任务调度的软件实现6 8 4 5 1r t x 在系统中的应用6 8 第六节本章小节7 l 第五章系统测试7 2 第一节系统测试的硬件搭建7 2 第二节系统测试的软件环境7 3 5 2 1 串口调试助手7 3 5 2 2t c p 调试助手7 4 第三节系统测试的内容及结果7 5 5 3 1 系统参数配置测试7 5 5 3 2m o d b u s + g p r s + 短信息处理测试7 6 5 3 3m o d b u s + 以太网+ 短信息处理测试7 7 5 3 4 现场调试结果7 8 第四节本章小结7 9 第六章总结与展望8 0 第一节总结8 0 6 1 1 数据的采集任务8 0 v 目录 6 1 - 2 数据传输任务8 0 6 1 3 参数配置任务8 1 6 1 4r t x 操作系统的引用8 1 第二节展望8 2 6 2 1 数据采集部分8 2 6 2 2 数据传输部分8 2 6 2 3 参数配置部分8 3 6 2 4 操作系统部分8 3 参考文献8 4 致谢8 6 个人简历及在学期间的研究成果8 7 v i 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 信息时代的今天，信息的基本单位比特正取代物质的基本单位原子在人们 生活中的重要性。本文就是从我们对比特这一承载信息的基本载体的理解出发， 阐述作者所研究内容的思想、出发点，以及在研期间所做的研究工作。本文所 研究的数据采集与传输控制平台是基于本人在研期间与某著名跨国公司的太阳 能产品合作项目为背景的，但其应用不仅仅局限在该背景中，经过适当的裁剪 与修改可以应用于各种不同的数据采集传输背景。本文依据从具体到一般的认 知方法，力求完成一个通用的数据采集传输平台。 从工程应用角度出发，运用现有的技术开发出一个功能完备的综合数据平 台是本文的目标。作为学位论文，本文不希望只是一些概念和学术背景的长篇 堆积，作者力求以本人的研发思想和实际项目流程为全文主线，抽丝剥茧向读 者展开数据平台的整体研发过程。同时本文也是对作者两年多科研工作的总结， 希望能为从事相关工作的同仁提供一些启示。 1 1 1 信息的概念 信息是信息论中的一个术语，常常把消息中有意义的内容称为信息。1 9 4 8 年，美国数学家、信息论的创始人仙农在题为“通讯的数学理论 的论文中指 出：“信息是用来消除随机不定性的东西”。1 9 4 8 年，美国著名数学家、控制论 的创始人维纳在控制论一书中，指出：“信息就是信息，既非物质，也非能 量。 信息是事物现象及其属性标识的集合。那么承载信息所代表的内容的载体 是什么呢? 1 1 2 数据的概念 数据是信息的载体，是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算 第一章绪论 机中并被计算机程序识别和处理的符号的集合。 在计算机和网络通信领域，数据的基本单位是比特。比特是信息的d n a 1 1 。 1 1 3 比特流的思考 像原子一样，比特同样不能被我们所感知，但它无时无刻不存在在我们的 生活中。从古人在麻绳上打结来记录事件开始，人类开始用各种不同的符号来 记录和传达信息。正如语言和文字的发展使人类之间的沟通变得无所不在，机 器之间的交流得益于比特流的产生。0 1 二进制串是计算机唯一能识别的语言， 例如，在数学中，二进制的1 ，1 0 ，1 1 ，1 0 0 ，1 0 1 ，1 1 0 ，1 1 1 ，代表十进制的1 ， 2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 。当然如果赋予这些数字串不同的意义它就代表不同的概念。 比特流存在于我们的日常生活中，像光盘中的数据，网络上传递的信息都 是这些0 1 的数字串，只不过他们的传输介质不同，有的是光介质，有的是电信 号。也许我们并没有实际看到他们，那是因为在终端即计算机上已经将他们翻 译成我们能够看懂的信息，因此可以说我们生活在比特流中。我们离不开网络， 我们就离不开比特流，就像我们离不开电一样。 有了信息交换的载体，同样需要信息交换的工具。电话的发明改变了人们 口口相传或是鸿雁传书的方式，现代通信网络的发展使人们的沟通不再受时间 和地域的限制。无论你身处何地只要拥有通信终端和网络就可以使相隔两地的 人在电话两端进行通信，如图1 1 所示。 2 第一章绪论 儿? 图1 1 设计思想的由来 本人时常在想可不可以有一种设备能够实现相隔异地的人与机器之间进行 对话，甚至机器与机器之间进行对话，实现远程监控和简单故障自处理，使人 们可以在任何地方来管理任何地方的设备，而不受时间和空间的局限。科技的 发展就是解放劳动力使人们以更简单轻松的方式生活。这也就是本课题研究的 初衷和研发思想的由来。 第二节数据采集与传输控制平台简介 1 2 1 数据采集与传输控制平台的提出 像国外的科幻大片所展示的一样，人们可以通过各种终端来收取各种各样 的数据，数据可能来自于隔壁也可能来自于地球的另一端，再也不存在遥不可 及的距离，它就在手指触碰按钮的瞬间。 现代科技已经可以将想象变为现实，作者的思路来源于一些生活的实例： 某公司的设备可能分布于不同的厂房，不同的城市，甚至不同的国家，如 3 l 莎 第一章绪论 果要维护这些设备的正常运转，那么该公司需要投入大量的劳动力来维护这些 设备，随时记录数据，处理问题。那么可不可以有一种设备替代他们完成这项 工作，并将所有数据集中到一个控制室，维护人员在任何地方打开笔记本电脑 或者p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 就可以随时随地了解全球所有点位的设 备工作情况，甚至设备在运转异常情况下主动报警联络维护人员，并将可能的 问题和处理方案反馈回来? 再如，家庭设备的智能信息化。上班族可以通过手机或计算机了解家中的 情况，如果有窃贼进入家中的探测装置可以报警通过短信或网络告知屋主，甚 至可以将家中的实时画面传回给手机终端。当你下班后在回家的途中可以通过 手机开启家中的空调器调节至适合的温度，打开热水器等等。 实现以上所说的事情，终端己不成问题，但却缺少将终端连接起来实现数 据有目的性采集传输的工具，就像图1 1 中所描述的，缺少一个像电话的设备。 实际的被控对象已经具备，让他们“会说会听 也是可以做到的，中间网络介 质也是成熟的，唯一缺少的是一个让他们“说和“听 的平台，即图1 1 中 的数据平台。这就是作者所要研究开发的数据采集与传输控制系统。 数据采集与传输系统就是可以从一端实时的采集数据通过存储转发的方式 利用现有的网络资源传输至另一端，并可以实现反向控制，如图1 2 所示。 数獬乎静 1 2 2 课题研究的历史和现状 图1 2 系统示意图 燕控巾心 数据采集传输系统的雏形来自于工业中的设备集中式控制管理的思想。随 着电子技术和通信技术的发展，对工业生产中设备的生产维护提出了更高的要 求。过去的人盯机器的方式由于设备的数量和分布趋于复杂造成人员成本的日 4 第一章绪论 益提高已经不适应当时的工业要求，因此有研发人员提出将厂房中的各设备运 行数据采集并集中到控制室统一管理维护，既节省了成本又提高了效率，这种 模式在现在很多大型生产企业已经很常见了。但它也有它的局限性，那就是规 模局限于有限区域内，远距离传输成本对于任何一个企业都是难以接受的，且 有线传输对于现场布线有很严格的要求。 近几年数据采集传输系统的研究甚广，大家多集中在不同通讯介质的实现， 如有线以太网和无线g p r s 。如大连理工大学杨永平 2 1 所研究的基于g p r s 的嵌入式数据采集系统设计，作者在文中具体描述了什么是g p r s 以及如何用 g p r s 来实现数据传输，并没有形成一个从采集到传输的完整过程，当然也更 不能实现一个完整的平台整体。 同样也有相关研发人员将注意力集中在数据采集这个环节，如上海电力学 院与同济大学【3 】合作开发的基于m o d b u s 协议的a r m 嵌入式监测平台设计与 实现，该项目重点研究了在数据采集环节的具体通讯协议及其实现，但其仅仅 适用于有限的区域范围内，不具备远程数据传输能力。 综上所述，作者在前期调研阶段发现在相关研究中很多研究人员只集中在 这个课题的某个部分进行研究，并没有形成一个整体。如上文所述本文是基于 作者在研期间的实际项目，因此必须将数据采集与传输两者结合为一整体形成 一个完整的系统。同样，目前的研究只是数据的传输，实现监控功能，但不能 干预远端设备的工作状况，本文提出利用短信实现对远端设备的控制，如远程 开关机。 第三节相关的技术背景 若要实现前文所叙述的课题，需要有一个合适的硬件平台和成熟的网络系 统。硬件平台要求既能实现类似计算机的处理能力又要做到小型化专业化。嵌 入式技术的发展和应用解决了这个难题。网络系统要求系统成熟，分布广，易 于接入。现代的i n t e m e t 技术已经可以达到这个要求。本节对两个主要技术作 简单介绍。 5 第一章绪论 1 3 1 嵌入式系统 随着通信网络技术、计算机技术和微电子技术的高速发展，嵌入系统已成 为i t 产业的一个焦点。同时在数字信息技术和网络技术高速发展的后p c 时代， 嵌入式系统体积小、可靠性高、功能强和灵活方便等许多优点，已渗透到工业、 军事、医疗以及日常生活等各个领域，为其技术改造、产品更新换代、加速自 动化进程提高生产效率等起到了重要的推动作用。 1 3 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统，实际上是“嵌入式计算机系统 的简称，它是相对于通用计 算机系统而言的【4 】。嵌入式系统无处不在，日常生活中的电冰箱、电子表、手 机、m p 3 、数码相机，工业中的监视设备、工业控制仪器等，它们的内部都有 嵌入式处理器。 从嵌入式系统本身的应用方面来考虑，国际电气和电子工程师协会( i e e e ) 给出了定义：嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。 然而随着嵌入式系统多元化的发展，嵌入式系统也越来越多地应用于人们 的日常生活中，显然这个定义已经变得不够确切了。因此人们对嵌入式系统进 行了重新定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软件、 硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等有严格要 求的专用计算机系统【5 1 。凡是具有嵌入式特点的控制系统都可以叫做嵌入式系 统。 1 3 1 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、存储器( s d r a m 、r o m 、f l a s h 等) 、 通用设备接口和i o 接口( a d 、d a 、i o 等) 以及系统软件组成。在一片嵌 入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入 式核心控制模块，即硬件平台。系统软件由操作系统和应用程序组成，都可以 固化在r o m 中卜6 j 。 1 3 2 a r m 简介 根据课题提出的功能需求，综合考虑芯片的性价比，我们实际采用a r m 9 6 第一章绪论 作为本项目的核心控制器，下面对a r m 作简要介绍。 1 3 2 1a r m 的概念 删是a d v a n c e d 黜s cm a c h i n e s 的缩写，也是微处理器行业的一家知名 企业。a r m 微处理器具有性能高、成本低和能耗低的特点，适用于多种领域， 如嵌入式控制、消费教育类多媒体和移动式应用等。 a r m 公司专门从事基于r i s c 技术芯片的设计开发，由于缺乏资金来购买 昂贵的芯片制造、封装和测试设备，本身不直接从事芯片生产，作为知识产权 供应商，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生 产商如英特尔、三星、意法半导体等从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理 器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。因此，市场上出现各种公司生产的芯片均称为a r m 芯片，依据就是其核心为a r m 公司设计的内核【7 叫。 1 3 2 2a r m 的特点 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器，是一种可扩展、 可移植、可集成的处理器。a r m 内核四个功能模块【1 0 】t 、d 、m 、i 参见表1 1 ， 可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。采用r i s c 架构的a r m 微处理 器一般具有的特点【1 1 , 1 2 如表1 2 。 表1 1t d m i 的基本含义 功能模块基本含义 t支持1 6 位压缩指令集t h u m b d 支持片上d e b u g m 内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i嵌入式i c e ( i n c i r c u i te m u l a t o r ) ，支持片上断点和调试点 7 第一章绪论 表1 2a r m 的一般特点 序号特点 l体积小、低功耗、低成本、高性能 2支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器件 3大量使用寄存器，指令执行速度更快 4大多数数据操作都在寄存器中完成 5寻址方式灵活简单，执行效率高 6指令长度固定 1 3 2 3a r m 9 e 微处理器系列 a r m 9 e 微处理器系列为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微 控制器、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 、j a v a 应用系统的解决方案，极大地 减少了芯片的面积和系统的复杂程度【l3 1 。a r m 9 e 还提供了增强的d s p 处理能 力，很适合于那些需要同时使用d s p 和微控制器的应用场合。 a r m 9 e 微处理器系列的主要特点如表1 3 。 表1 3a r m 9 e 微处理器系列的特点 序号特点 1支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合 2五级流水线，指令执行效率更高；支持浮点协处理器 3支持3 2 位a r m 和1 6 位t h u m b 指令集，支持3 2 位的高速a m b a 总线接口 4 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力 5主频最高可达3 0 0 m i p s ，m p u 支持实时操作系统r t o s 1 3 3 网络方面的简介 上世纪5 0 年代，由于数据交换和共享的需要人们将计算机彼此连接起来， 形成小型局域网，这一技术的发展使得最终形成如今的互联网。互联网的快速 发展使得其已遍及超过1 7 0 个国家和地区。根据中国互联网络信息中心 ( c n n i c ) 发布的第2 5 次中国互联网络发展状况统计报告，美国互联网普及 8 第一章绪论 率为7 4 1 ，日本为7 5 5 ，韩国为7 7 3 ，我国由于起步较晚且西部地区欠发 达普及率为2 8 9 。从全球的发展状况看，互联网已经相当普及，因此，可以 为我们研究的数据平台提供更广泛的应用，也符合我们的要求。同时，我们也 发现这种网络多存在于发达地区或人员较密集区域，如果我们的应用设备放置 在不具备网络条件的区域将不能应用，由于手机网络的普遍存在也就是g p r s 网络存在的范围更广，因此我们考虑增加无线g p r s 应用，以提高突破其网络 可能带来的限制。 对于互联网的相关技术已经相当普及，作者不在此赘述，只简要介绍一些 g p r s 相关知识，便于今后的研究。 1 3 3 16 p r s 的概念 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是作为 第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信的过渡技术。 g p r s 是一种新的g s m 数据移动分组业务，在现有的g s m 网络基础上叠 加了一个新的网络，同时在网络上增加一些硬件设备并进行软件升级，形成了 一个新的网络逻辑实体，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用 户提供高速无线i p 服务。通俗地讲，g p r s 是一项高速数据处理技术，它以分 组交换技术为基础，用户通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据业务。 由于g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线 信道又可以由多个用户共享，资源被有效利用。g p r s 网络的数据实现分组发 送和接收，用户永远在线且按流量计费。 图1 3 为g p r s 网络结构模型。g p r s 在一个发送实体和一个或多个接收实 体之间提供数据传送能力。这些实体可以是移动用户或终端设备，后者被连接 到一个g p r s 网络或一个外部的数据网络。 9 第一章绪论 图1 3g p r s 网络结构模型 g p r s 是基于现有的g s m 网络实现的，需要在现有的g s m 网络中增加一 些节点【1 4 】：网关g p r s 支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 、服务 g p r s 支持节点s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 。g g s n 在g p r s 网络和 公用数据网之间起到网关的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 和l a n 等。s g s n 记录移动台的当前位置信息，并在移动台和各种数据网络之 间完成移动分组数据的发送和接收，为服务区内所有用户提供双向的分组路由。 系统共用g s m 基站，但基站要进行软件更新，并采用新的g p r s 移动台。g p r s 要增加新的移动性管理程序，通过路由器实现g p r s 骨干网互联。 1 3 3 26 p r s 的特点 i ) g p r s 采用分组交换技术，高效的传输高速或低速的数据和信令，优化网络 资源和更合理的利用无线资源。 2 ) 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧可分配 1 、8 个无线接口时隙。时隙能为在线用户所共享，且上行链路和下行链路的分 配是独立的。 3 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 17 1 2 k b i t s 的数据传输速率( 每个 用户) 。 1 0 第一章绪论 4 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 5 ) g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和口网、x 2 5 网互联互通。 支持特定的点对点和点对多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。 6 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量 数据的传输。它支持四种不同的服务质量等级( q o s ) 级别。g p r s 能在0 5 1 秒恢复数据的重新传输。g p r s 的计费一般以数据传输量为依据。 7 ) g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由 s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样， 不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。g p r s 移动台 ( m s ) 可通过s i m 卡访问g p r s 业务，不管这个s i m 卡是否具备g p r s 功能。 8 ) 为了收发g p r s 数据，m s 会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使 m s 可被相应的网关g p r s 支持节点( g g s n ) 所识别，进而能开始与外部数据 网络的互通。 9 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实 现与高速发展的i p 网无缝连接。 也正是基于以上的特点，我们选用g p r s 作为数据平台的无线接入方式。 第四节研究内容 随着电子技术、集成电路和高速网络的迅猛发展，人们对工业产品的自动 化和家庭产品的智能化提出了更高的要求。产品的分布范围越来越广，人性化 需求愈来愈高，加之对信息的依赖逐渐增强，数据采集传输系统应运而生。本 文立足于此，力求开发出集采集和多种传输方式于一体的通用数据采集传输系 统，提供业界普遍公认的事实标准为采集端口，利用以太网和g p r s 这种有线 无线相结合的方式实现数据传输，同时实现工作参数的配置功能形成一个完整 的系统。本文的工作重点在于软件层面的实现，因此需要做的主要工作如下： 数据采集协议的实现：协议采用m o d b u s 串口通讯协议，由于本系统在通 讯主体中处于主站位置，因此需要结合通讯双方的具体协议实现m o d b u s 规定 的主站部分的协议。关于协议的具体内容参见后续章节； 数据传输部分的实现：传输方式有两种有线的以太网和无线的g p r s 。需要 完成的工作为对以太网的t c p i p 协议栈的移植和利用现有的手机模块实现 第一章绪论 g p r s 远程传输； 系统参数配置：一个完整的独立系统离不开对具体应用环境的参数配置， 如传输方式的选择等，因此这一环节必不可少。需要做的工作是选择通讯方式 设计通讯协议，最终在硬件基础上实现软件设计； 多任务调度：由于系统涉及采集、传输和参数配置三个主要功能模块如何 将各个功能任务有效结合为一个整体是最终形成系统的关键。这里我们需要引 入嵌入式操作系统来合理调度任务，保证各个任务的实时有效完成。 本文将分为以下几个部分由浅入深对数据采集传输控制平台进行阐述： 第一章：介绍作者研究工作的思想由来，即作者想实现一个什么样的东西， 它可以实现什么。以及这个领域所要运用到的大背景和相关研究的成果； 第二章：是本文的重点章节之一，主要介绍该平台的整体框架，功能需求 以及相应的实施方案，从宏观角度，将该项目的总体概貌呈现出来； 第三章：由平台需求出发，引出对平台硬件方面思考及需求组成。由于本 文重点在软件方面具体实现，因此对硬件方面不过分着墨，只是对软件方面要 用到的部分作简要说明； 第四章：是本文的重点章节之一，主要介绍平台软件部分的具体实现，以 不同传输介质和不同传输协议为分类具体介绍实现过程，由于该平台实现功能 较多，涉及的技术内容繁杂，很难做到细致入微，只对主要部分介绍，相关理 论细节可以查阅其他文献资料，不做赘述； 第五章：以项目实际背景对平台进行测试； 第六章：工作总结以及对该项目未来的工作进行展望。 1 2 第二章数据采集与传输系统的整体架构及方案设计 第二章数据采集与传输系统的整体架构及方案设计 本章将以与某公司合作的太阳能远程监控系统为背景，介绍数据采集与传 输系统的整体架构和功能需求。但正如作者在第一章所述，该数据平台的解决 方案具有一般性，只需在应用层稍作修改即可应用于其它具体环境中。 第一节数据采集与传输系统的整体架构 麓隘电譬 图2 1 数据采集传输平台外部架构 如图2 1 所示，为课题所研究的数据采集与传输平台在太阳能发电系统的 实际应用。在太阳能发电系统中，太阳能板将光能转变为直流电能经逆变器转 变为交流电后回送给电厂的主干网上。如图2 1 所示，逆变器将交流电回送给 主干网，中间接电表用于记录产生的电能值，如此构成完整的太阳能发电系统。 随着技术的发展和同类产品的竞争，对发电系统提出更高的要求，需要随时监 控逆变器的工作状态，遇到故障需要随时报警并采取简单处理。同时由于产品 分布广，靠人力去巡检显然不符合现代化产品要求，需要加装监控系统。如图 1 3 第二章数据采集与传输系统的整体架构及方案设计 所示数据采集与传输平台和监控中心的主机构成整个监控系统。逆变器中带有 控制模块用于随时提供数据平台所需要的数据，箭头方向代表数据流的方向。 数据采集与传输系统轮询逆变器数据( 逆变器可能不止一个) ，将所查询到的数 据通过网络传递给远端的监控中心主机，同时监控中心可以通过手机短信发送 简单命令( 如开关机指令) 给数据采集传输系统，由后者通过辨识文本信息对 相关的逆变器进行相应的控制处理。另外由图可知，还有一个配置电脑对传输 平台进行参数配置，因为一个成熟的产品需要有一些特定的参数信息和用户信 息，如传输方式选择，中心i p 地址等等。 图2 2 系统结构框图 图2 2 为系统连接框图。由图可知多个逆变器通过r s 4 8 5 串联在一起形成 总线型网络，并与数据采集传输平台通过r s 4 8 5 连接起来进行数据的采集工作。 系统还有一个r s 4 8 5 接口采用复用的方式工作，在配制时与电脑进行通讯，在 正常工作时连接数字电表记录产生的电量。传输部分一方面通过有线以太网传 输，接口部分为标准的r j 4 5 网络接口。另一方面可通过g p r s 进行无线传输 这也是本文的重点传输方式，事实上在系统外部结构中只有天线的接口，在系 统内部分为两块单板，一个是主控板是系统的核心控制系统及研发的核心，另 一块单板为手机模块，为系统提供