基于ARM9的多功能综合通信控制系统设计

摘要 介绍了基于ARM9硬件平台和嵌入式Linux系统的多功能综合通信控制系统的框架设计及各模块的功能。系统采用符合POSIX．1标准的C语言编写，实现了对下位机传送数据帧的采集、分析和存储，并能根据上位机的配置指令和数据传输指令分别对串口波特率、数据时间及手机短信号码等参数进行配置和存储数据的传输。
关键词 ARM9；Linux；通信控制系统

    伴随着计算机技术的迅速发展，工业数据采集已由传统的测控电路发展为由微型计算机、接口电路、外部通用设备和工业生产对象等组成的现代数据采集与控制系统。但是以微型计算机为核心的数据采集系统也逐渐暴露出许多缺陷：体积大，不易携带；扩展性差、成本高等。因此，以嵌入式系统为平台的数据采集和控制系统应运而生，嵌入式数据采集系统具备可靠性高、体积小、易扩展、开发周期短、成本低的特点使其的成为未来的通信控制发展趋势。

1 系统工作原理及框架
    存储板通电后，程序自启动首先用Socket建立服务器等待PC端的配置信息，PC端按顺序发送时间帧和手机号码帧，当其中任何一个不满足帧格式或者校验错误时，存储板都会向PC端发送相应的重传指令，两个配置帧都得到正确的解析后打开与下位机通信的串口ttys1，与GSM模块通信的串口ttys2和与PC端通信的串口ttys3，然后设定内核定时器，将超时消息的处理设置为发送数据短信的程序，这样就实现了定时发送短信通知的功能，然后用异步I／O函数Select监听所有的输入输出，某个端口若有消息就会跳转到相应的消息处理函数中，处理完后返回Select函数继续监听。

2 程序模块说明
    该系统主要由配置帧处理模块，定时短信群发模块3部分组成。
2．1 配置帧处理模块
    配置帧处理模块主要功能为接收并解析PC端的配置帧。首先程序用Socket建立满足TCP协议的服务器等待PC端发起的连接，若收到连接首先自定义握手协议。检查正常后开始接收配置帧，程序根据接收配置帧的帧头和帧尾来判断为时间帧还是手机号码帧，若确定为时间帧，在做完和校验检查数据后，提取出数据时间和与PC通信的串口波特率放在相应的全局变量，若校验发生错误则向PC端发送time指令表明时间帧格式错误需要重发，若正确则向PC发送success指令表明时间帧接收成功。PC端接收到success指令后开始发送手机号码帧，若和校验错误则向PC发送phone指令，若正确将转入5 Byte的手机号码转换成11位用ASCII码表示的手机号，此后向PC端发送success指令表明手机号码帧接收成功。
2．2 定时短信群发模块
    定时短信群发模块的主要功能是将采集的数据解析后通过短信的模式通知用户，其又分为：GSM初始化模块和短信群发模块。程序通过串口将AT指令发送给GSM模块达到对其控制的目的。
2．2．1 GSM初始化模块
    此模块的主要功能为初始化GSM模块的短信功能并群发信息给用户通知其GSM模块正常工作。根据MG323的操作手册在正常发送信息前依次执行以下步骤：(1)发送“AT”确认ARM与GSM模块连接的串口正常。(2)发送“ATE0”关闭回显，这样在调试程序时输入的命令不会在由GSM模块返回而打印在屏幕上。(3)发送“AT+CPIN”确认SIM卡鉴权成功。(4)发送“AT+CNMI=1，1，2”设置短信通知方式。(5)发送“AT+CMGF’ =0”，设置短信格式为PDU。(6)发送“AT+CSCA=+8613800290500”，设置短信息中心号码。(7)发送“”AT+CSCS=＼“UCS2＼”，设置字符编码为USC2。
    在GSM对每条命令都回复OK表明设定成功后就表明GSM模块可以按照设定的功能工作，短信采用PDU格式的编码，一般的PDU编码由A～M 13项组成：A：短信息中心地址长度，2位16进制数(1 Byte)；B：短信息中心号码类型，2位16进制数；C：短信息中心号码，B+C的长度将由A中的数据决定；D：文件头字节，2位16进制数；E：信息类型，2位16进制数；F：被叫号码长度，2位16进制数；G：被叫号码类型，2位16进制数，取值同B；H：被叫号码，长度由F中的数据决定；I：协议标识，2位16进制数；J：数据编码方案，2位16进制数；K：有效期，2位16进制数；L：用户数据长度，2位16进制数；M：用户数据，其长度由L中的数据决定。
    分别按照要求填充A～K字段，用户数据为“GSM模块初始化成功”，通过汉字Unicode转换工具查找每个字符对应的USC2编码值填充到M字段，然后以Byte为单位计算器长度填充到L字段，至此将PDU格式编码的AT指令发送给GSM模块便能实现短信通知用户初始化成功的功能。
2．2．2 短消息群发模块
    由于GSM初始化模块已将其配置好，所以短信群发模块的主要功能就是提取当前主数据文件中存储的最新一帧数据，和校验正确后将其解析成数据并填充成PDU格式的短信群发给用户。这里主要的难点在于将二进制表示的数据转换成USC2编码的字符，因为文件中的数据以Byte存储，每个数据占2 Byte，所以首先将2 Byte型合并成一个短整型来表示一个完整数据，通过转换将二进制数据转换成USC2编码的数据，其中页面高度系数共占6位，小数点占1位，小数占1位，温度系数共占6位，小数点占1位，小数部分占1位，以上两个系数的整数部分不满6位都在左侧补0。
    为最终在短信上收到的数据不会出现如0123．1 m这样格式的数据，要将其左侧的“0”去除，同时也要注意不要将0．01℃前面的“0”去除，这样处理后便会使手机短信上的数据达到良好的效果。
2．3 I／O控制模块
    I／O控制模块的主要功能是接收和存储下位机数据的数据同时响应PC端的指令，通过网口和串口发送数据。
    由于在Linux中对如串口和网络这些I／O操作的系统函数均为阻塞函数，若随意使用将导致程序阻塞在某个I／O中，用多线程实现虽然可以解决阻塞问题，但同时带来的代码复杂度和多线程的同步处理问题会加大代码设计难度。系统采用单进程设计，采用异步监听函数select此函数可以对所有输入和输出端口的监听，若对应端口有消息便跳入消息处理函数中，处理完后继续监听，达到了单进程处理阻塞函数的目的。
    I／O控制模块的主体是select函数，按输入输出分为下位机串口接收模块，上位机网口发送模块和上位机串口发送模块。
2．3．1 下位机串口接收模块
    串口从下位机接收的数据首先经过和校验，校验正确后首先存储在缓冲数据文件中并对其计数，达到缓冲数据文件的上限后，将缓冲文件的数据向主数据文件拷贝，主数据文件以追加写的方式打开，缓冲数据文件在拷贝后清空，采用主数据和缓冲数据交替拷贝的方法能提高存储效率并防止意外断电造成的数据损失。主数据文件设置存储软上限，待主数据文件存储满后采用FIFO方案，从缓冲文件新接收的数据卸载主数据文件尾并将文件前移，把起始数据“挤出”，以确保数据文件的时间顺序且不超出存储软上限。
2．3．2 上位机网口发送模块
    上位机的网口发送模块主要为服务器端，在和PC建立连接前先进行软件协定的握手，这样确保了应用层的连接正常。服务器对于PC端发送的连接请求采用“一次连接，多次处理，一次释放”的原则，用单进程便能完好地实现数据和指令的通信，在收到PC端“transmit”指令后便从主数据文件开始以2 048 Byte的偏移量将数据发送给PC端，等到数据全部发送完后，向PC端发送“over”指令表明数据发送完毕。
2．3．3 上位机串口发送模块
    上位机的串口发送模块和网口发送数据模块类似，只是将建立服务器用socket发送换成普通的串口读写，同样发送完数据后要发送“over”指令表明数据发送完毕。

3 结束语
    在嵌入式Linux系统上实现了综合通信控制系统，他完成了对下位机数据采集以及对上位机的指令响应和数据传输的工作，同时利用GSM无线通信模块实现了定时短消息群发的功能。此系统功能强大，性能稳定接口简单，是一种高准确性、高实时性、小型化、智能化的新型发展平台。考虑到工业控制系统对系统可靠性、灵活性及成本和经济效益的要求，将嵌入式系统用于通信控制和数据采集具有广阔的应用前景。